一種矢量地圖可逆信息隱藏方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及地理信息科學、信息隱藏領域，具體講是一種旋轉、均勻縮放、平移不 變的矢量地圖可逆信息隱藏方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)今，矢量地圖作為地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System,GIS)的 基礎數(shù)據(jù)在軍事、民用制圖、城市規(guī)劃、導航等領域得到了廣泛的應用。獲取矢量地圖數(shù)據(jù) 要耗費大量人力、物力，而借助網(wǎng)絡和地理信息處理工具，這些具有巨大經(jīng)濟價值的數(shù)據(jù)很 容易被非法復制、篡改和傳播，使地理信息生產(chǎn)者和發(fā)布者蒙受重大損失。因此，如何有效 地保護矢量地圖數(shù)據(jù)的版權及其完整性已成為地理信息產(chǎn)業(yè)迫切需要解決的問題。
[0003] 矢量地圖信息隱藏技術是一種有效保護矢量地圖版權和認證完整性的前沿技術， 它是在不影響矢量地圖可用性的前提下，將秘密信息即水印隱藏在其中，并在需要時利用 一定的檢測方法將其提取出來的方法。現(xiàn)有的大部分矢量地圖信息隱藏方法通過修改頂點 坐標嵌入水印，這會給矢量地圖的精度帶來一定的擾動。而這種擾動在一些對矢量地圖精 度有極其嚴格要求的高保真應用場景中是不容許的。為此，研究學者提出了水印提取后能 夠恢復矢量地圖原始數(shù)據(jù)的可逆信息隱藏方法。
[0004] 近年來，可逆信息隱藏技術已在圖像、視頻，音頻以及文本數(shù)據(jù)領域取得了相當多 的研究成果，但在矢量地圖可逆信息隱藏技術方面，人們?nèi)〉玫某晒€比較少。Voigt等人 于2004年首先給出了一種用于二維矢量數(shù)據(jù)的可逆信息隱藏算法。該算法通過更改8個頂 點的整數(shù)DCT系數(shù)完成水印信息的嵌入，并在提取水印信息的同時無損恢復原始矢量地圖 數(shù)據(jù)。這種方法能靈活調整隱藏容量以滿足不同的應用需求。但是這種算法在變換域實現(xiàn)， 不容易控制水印的嵌入給二維矢量數(shù)據(jù)帶來的擾動，且嵌入容量不高。Wang等人基于Tian 的差值擴大思想提出了兩種二維矢量地圖的可逆信息隱藏算法。一種算法通過直接改變相 鄰坐標的差值嵌入水??；另外一種方法則通過改變頂點間曼哈頓距離的差值嵌入水印。這 兩種方法簡單易于實現(xiàn)，但由于嵌入水印時沒有考慮矢量地圖的形狀特征，使得含水印矢 量地圖在放大的狀態(tài)下具有不自然的外形特征。周璐等人提出了一種基于差值直方圖的矢 量地圖可逆信息隱藏算法。此方案首先計算相鄰頂點對的差值的直方圖，然后優(yōu)先選擇絕 對值小的差值嵌入水印。該方案能夠較好地保持矢量地圖形狀特征，但嵌入容量不足。鐘尚 平等人提出一種采用復合整數(shù)變換差值擴大法的矢量地圖可逆信息隱藏算法以提高水印 信息的透明性和水印的嵌入容量。這種方法在嵌入水印時充分考慮矢量地圖圖元的形狀特 征，有較好的水印嵌入容量，但并不適用于點圖元。Cao等人給出了通過改變中間值和平均 值的關系迭代嵌入水印信息的方法。該方法的嵌入容量較高，但多次迭代嵌入水印后，含水 印矢量地圖質量可能不夠高?；谔摂M坐標的思想，Wang等人提出了一種高嵌入容量的可 逆信息隱藏方法。該方法能夠有效控制水印嵌入給矢量地圖帶來的精度擾動。這些二維矢 量地圖可逆水印算法側重于無損恢復原始數(shù)據(jù)、高嵌入容量和低精度擾動，不能容忍旋轉、 縮放和平移攻擊。但在一些應用中，旋轉、縮放和平移后的矢量地圖仍具有使用價值。因此， 一個好的矢量地圖可逆信息隱藏算法應具有旋轉、縮放和平移不變性，即能夠容忍旋轉、縮 放和平移操作，對旋轉、縮放和平移魯棒。
[0005] 綜上所述，雖然人們目前提出了一些用于矢量地圖可逆信息隱藏方法，試圖解決 在傳遞秘密信息的同時，恢復原始數(shù)據(jù)的問題，但這些方法在抵抗旋轉、縮放和平移攻擊方 面還存在不足。
[0006] 另外，專利申請?zhí)?013102366569,名稱為"一種基于LSD平面的矢量地圖可逆信息 隱藏方法"；專利授權公告號CN102110281B，名稱為"一種針對shape點圖層數(shù)據(jù)的差值擴展 水印嵌入與提取方法"；專利授權公告號CN101604440B，名稱為"基于空間特征的矢量地圖 可逆水印處理方法"的中國專利文件中也涉及矢量地圖的可逆信息隱藏問題，但本專利申 請采用方法不同，都不能同時對旋轉、均勻縮放和平移魯棒。
[0007] 美國專利庫中的 "Reversible watermarking using expansion,rate control and iterative embedding"，與本專利申請針對內(nèi)容不同，具體方法也不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提出一種矢量地圖可逆信息隱藏方法，一方面該方法依據(jù)參照頂點和矢量 地圖的精度誤差容限，計算歸一化量化步長，量化參照頂點和每個頂點所在的直線，通過改 變每個頂點在其量化區(qū)間內(nèi)的位置嵌入水印，獲得較好不可見性的同時，對旋轉、均勻縮放 和平移操作魯棒;另一方面該算法在水印提取后，無損恢復矢量地圖原始數(shù)據(jù)，能夠有效確 保矢量地圖的精確使用。該方案可逆，具有較好的不可見性和可逆性，能夠抵抗旋轉、均勻 縮放和平移攻擊，是一種用于矢量地圖可逆信息隱藏的實用算法。
[0009] 矢量地圖圖元（點圖元、線圖元和面圖元)是由大量密集的頂點按照特定的順序排 列而成的，地圖數(shù)據(jù)就是這些頂點的二維坐標序列。矢量地圖可逆信息隱藏技術是一種傳 遞秘密信息的重要手段，已有的矢量地圖可逆信息隱藏技術不能在兼顧高嵌入容量的同 時，抵抗旋轉、均勻縮放和平移攻擊。針對上述問題，本發(fā)明提出一種矢量地圖可逆信息隱 藏方法，包括如下步驟：
[0010] ⑴獲取頂點坐標；
[0011 ]順次掃描矢量地圖頂點，獲取頂點坐標序列V = {Vj (Xj，yj) I j = 1，2，…，η}，vj表示 頂點序列V中的第j個頂點，xj和yj分別表示頂點vj的x坐標和y坐標，n表示序列V的頂點數(shù) 目；
[0012] (2)選擇參照頂點；
[0013] 在密鑰Key的控制下，從步驟（1)的序列V中隨機選取兩個頂點作為水印嵌入過程 中米用的參照頂點，將選取的參照頂點記為頂點￥1!(11 ?1，5^1)和頂點￥￡2(1￡2,5^2)，11!和5^1分 別表示頂點vfi的X坐標和y坐標，xf2和yf2分別表示頂點vf2的X坐標和y坐標；
[0014] (3)計算量化步長；
[0015] 依據(jù)矢量地圖的精度誤差容限τ，計算嵌入?yún)?shù)Qw和歸一化量化步長Sw，參數(shù)Qw將 直接作為水印提取及數(shù)據(jù)恢復階段的輸入?yún)?shù)；
[0016] (4)嵌入水??；
[0017] 依據(jù)步驟⑶得到的量化步長Sw，利用量化的方法，在步驟⑴的序列V的頂點中嵌 入水印，得到含水印頂點坐標序列V' = {v/ (x/，y/ ) | j = l，2，···，n}，vj'表示V'中的第j個 頂點，xj '和yj '分別表示頂點vj '的χ坐標和y坐標；
[0018] (5)水印提取及無損恢復；
[0019] 依據(jù)參照頂點和嵌入?yún)?shù)Qw，從步驟(4)含水印頂點坐標序列V'中提取含水印矢 量地圖水印信息并恢復其原始數(shù)據(jù);具體步驟如下：
[0020] (5.1)獲取含水印頂點坐標；
[0021] 依據(jù)步驟（1)，獲取含水印矢量地圖的頂點坐標序列V' = {v/(x/，y/)|j = l， 2，…，η};其中，vj '表示V '的第j個頂點，χj '和yj '分別表示頂點vj '的χ坐標和y坐標，η表示 序列V'的頂點數(shù)目。
[0022] (5.2)選擇參照頂點；
[0023]在密鑰Key的控制下，從頂點坐標序列V'中隨機選取兩個頂點作為水印嵌入過程 中采用的參照頂點；
[0024] (5.3)計算量化步長；
[0025] 依據(jù)Qw和步驟(3)的公式，計算歸一化量化步長Sw;
[0026] (5.4)提取水印和恢復原始數(shù)據(jù)；
[0027] 提取步驟(1)中含水印頂點序列V'的水印信息，恢復V'的原始數(shù)據(jù)，最終得到恢復 后的頂點序列￥={^(取，71)|1 = 1，2，~，11}，恢復矢量地圖原始數(shù)據(jù)。
[0028] 進一步的，所述的計算嵌入?yún)?shù)仏和歸一化量化步長5|的方法為：
[0030]其中，||VflVf2||為參照頂點Vfl和Vf2之間的歐幾里得距離，參數(shù)Q w將直接作為水印提 取及數(shù)據(jù)恢復階段的輸入?yún)?shù)。
[0031 ]進一步的，假設頂點Vj (Xj，yj) (j = 1，2，…，n，Vj矣Vfi，Vj矣Vf2)為待嵌入水印的頂 點，為待嵌入的水印，c為每個頂點中嵌入的水印比特數(shù)目，所述的嵌入水印的 具體步驟如下：
[0032 ] (4.1)依據(jù)歸一化量化步長Sw，以參照頂點vfi為起點，將參照頂點vfi和頂點vj確定 的直線量化，并計算頂點~所在的量化區(qū)間的索引值;/
[0034] 其中，l|VflVj||