SHP文件魯棒數(shù)字盲水印技術(shù)研究與應(yīng)用

◆丁 暉 周建偉通訊作者,2 金永濤,2 劉海燕 張秦雪

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SHP文件魯棒數(shù)字盲水印技術(shù)研究與應(yīng)用

◆丁 暉1周建偉通訊作者1,2金永濤1,2劉海燕1張秦雪1

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院 河北 065000；2.河北省航天遙感信息處理與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心 河北 065000）

地理空間數(shù)據(jù)是搭建地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的核心，矢量數(shù)據(jù)又是地理空間數(shù)據(jù)關(guān)鍵一部分，SHP文件作為傳輸?shù)乩硎噶啃畔⒌囊环N基本文件格式，其安全性的提升對(duì)整個(gè)地理信息系統(tǒng)有著重要意義。地理信息系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字水印技術(shù)對(duì)數(shù)字信息數(shù)據(jù)提供有效防護(hù)，是新興的結(jié)合方式。本文主要研究分析了矢量數(shù)據(jù)的特征，針對(duì)SHP矢量數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)，提出了一種基于歸一化的矢量數(shù)據(jù)盲水印算法。通過(guò)函數(shù)變換對(duì)所有矢量坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，再將水印信號(hào)嵌入到歸一化值中，保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，提升模型的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)縮放、増刪點(diǎn)、屬性排序、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等攻擊具有較好的魯棒性。

矢量數(shù)據(jù)；歸一化；盲水印；魯棒性

0 引言

目前為提升系統(tǒng)安全性，將數(shù)字水印技術(shù)與地理空間數(shù)據(jù)結(jié)合，在數(shù)據(jù)文件在流轉(zhuǎn)和應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)行追溯和監(jiān)控，可以有效抵制非法復(fù)制、傳播、利用他人成果的行為。矢量數(shù)據(jù)文件在GIS系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用研究，引起國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其安全傳輸?shù)闹匾暎@得了越來(lái)越多的研究成果。本文通過(guò)函數(shù)變換對(duì)所有矢量坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，再將水印信號(hào)嵌入到歸一化值中，保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，提升模型的精度。

1 地理空間數(shù)據(jù)

地理空間數(shù)據(jù)是將現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)可見(jiàn)的各種地理特征和現(xiàn)象以符號(hào)形式表示，用于分析自然、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域中的諸多要素信息，包含要素的數(shù)量、質(zhì)量、屬性特征，用文字、數(shù)字、圖像等方式展示空間實(shí)體目標(biāo)的位置、形狀、大小等信息的數(shù)據(jù)。地理空間數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，而且地理空間系統(tǒng)的絕大部分功能將以地理空間數(shù)據(jù)為原點(diǎn)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)已步入人們的日常生活，在交通應(yīng)用、城市建設(shè)和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮重要作用。

1.1 地理空間數(shù)據(jù)特征

地理空間數(shù)據(jù)具有定位、定性、時(shí)間和空間關(guān)系等特性。定位是指在已知的坐標(biāo)系里空間目標(biāo)都具有唯一的空間位置；定性是指有關(guān)空間目標(biāo)的自然屬性，它伴隨著目標(biāo)的地理位置；時(shí)間是指空間目標(biāo)是隨時(shí)間的變化而變化；空間關(guān)系通常一般用拓?fù)潢P(guān)系表示。空間數(shù)據(jù)具有三個(gè)基本特征：空間特征、屬性特征、時(shí)間特征。

空間特征主要表現(xiàn)為地理要素的位置信息，包括經(jīng)緯度絕對(duì)位置和要素之間的相對(duì)位置。

屬性特征通常稱非空間數(shù)據(jù)，因?yàn)閱为?dú)依靠位置信息無(wú)法對(duì)要素區(qū)分，需要對(duì)特定的要素添加屬性，用來(lái)描述實(shí)體的性質(zhì)和意義。存放時(shí)也是與空間位置數(shù)據(jù)分別保存的。比如一個(gè)點(diǎn)可以表示一段道路的起點(diǎn)，也可以表示終點(diǎn)。

時(shí)間特征指的是被記錄的地理空間數(shù)據(jù)是隨時(shí)間不斷變化的，反映數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性，數(shù)據(jù)只能記錄被采集時(shí)的特征和屬性，所以需要不斷更新。而且時(shí)效性對(duì)數(shù)據(jù)分析有很大影響，這一特征也逐漸被重視。

1.2 地理空間矢量數(shù)據(jù)

矢量數(shù)據(jù)是通過(guò)用幾何形狀中的點(diǎn)、線、多邊形來(lái)表示地理空間中的實(shí)物。例如：用坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)標(biāo)注準(zhǔn)確的地理位置，將連續(xù)的坐標(biāo)點(diǎn)連接成線用于表示邊界，多條線段頭尾連接形成閉環(huán)表示區(qū)域等。在矢量文件，例如SHP文件中的每個(gè)元素都稱作對(duì)象，每個(gè)對(duì)象成為獨(dú)立的個(gè)體，擁有獨(dú)特的屬性特征，用不同的符號(hào)表示對(duì)象的顏色、形狀、類型、大小等。也因?yàn)閿?shù)據(jù)元素是獨(dú)立的個(gè)體，在對(duì)整個(gè)圖例進(jìn)行放大縮小旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)失真的情況，不受分辨率的影響。也可以對(duì)對(duì)象的屬性進(jìn)行修改，而不會(huì)對(duì)其他對(duì)象產(chǎn)生影響，這一特性也為設(shè)計(jì)數(shù)字水印算法提供了可行性。

2 SHP文件

SHP文件是地理空間矢量數(shù)據(jù)的一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用于表示點(diǎn)、線、多邊形圖形數(shù)據(jù)。每個(gè)SHP文件都是一個(gè)長(zhǎng)度可變的文件，由長(zhǎng)度固定100字節(jié)的主文件頭和長(zhǎng)度可變的空間數(shù)據(jù)記錄兩部分組成。每一條空間數(shù)據(jù)記錄又由一個(gè)固定長(zhǎng)度8字節(jié)的記錄頭和長(zhǎng)度可變的記錄內(nèi)容構(gòu)成。文件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SHP文件結(jié)構(gòu)

2.1 SHP主文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

主文件頭長(zhǎng)度為一百個(gè)字節(jié)，包含了十七個(gè)信息，每個(gè)信息的長(zhǎng)度不等，表示方式也不同。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 SHP文件主文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

字節(jié)號(hào)32-35指定改文件的文件類型（Shape Type），例如：值為1指雙坐標(biāo)點(diǎn)文件，值為5指多邊形文件等等。

2.2 SHP文件坐標(biāo)點(diǎn)的讀取

通過(guò)對(duì)SHP文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析，變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。每個(gè)字段都有特定含義，在讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容的時(shí)候可以利用指針指定位置，讀取某一屬性值。記錄頭的內(nèi)容包括該記錄的序號(hào)和具體的坐標(biāo)記錄。記錄號(hào)和坐標(biāo)兩個(gè)記錄項(xiàng)都是int型，并且文件中的記錄號(hào)都是從1開(kāi)始的。

記錄內(nèi)容包括元素的幾何類型和具體的坐標(biāo)，記錄內(nèi)容隨元素類型的變化而變化。點(diǎn)文件的記錄內(nèi)容如表2所示。

表2點(diǎn)文件記錄內(nèi)容

利用Geotools工具類對(duì)點(diǎn)文件進(jìn)行內(nèi)容讀取。首先對(duì)SHP文件的圖層對(duì)象進(jìn)行讀取，獲取到對(duì)象列表，為對(duì)象設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型包含屬性定義方便調(diào)用。關(guān)鍵代碼如下：

List gisObjectList = new ArrayList<>();

ShapefileDataStoredataStore=buildDataStore(shpFilePath);

FeatureSourcefs=dataStore.getFeatureSource(typeName);

FeatureCollectionresult=featureSource.getFeatures();

Collection property = ((ComplexAttribute) sf).getProperties();

Property pro = iterP.next();

PointX = ((Point)(pro.getValue())).getX());

PointY = ((Point)(pro.getValue())).getY());

3 數(shù)字水印技術(shù)

數(shù)字水印技術(shù)起源于傳統(tǒng)印刷中的水印技術(shù)，也就是在造紙業(yè)中用于證明紙張合法性的技術(shù)，多用于紙幣、郵票等。在700多年前，紙水印就在意大利的Fabriano小鎮(zhèn)上的一家造紙廠出現(xiàn)了，通過(guò)機(jī)械壓縮將圖案壓制到紙漿中。而最早出現(xiàn)的電子水印技術(shù)是在1954年的美國(guó)，當(dāng)時(shí)為了保護(hù)音樂(lè)版權(quán)，將專利標(biāo)識(shí)用隱式手法嵌入到音樂(lè)中。

3.1 數(shù)字水印的基本框架

數(shù)字水印技術(shù)主要解決水印嵌入和水印檢測(cè)兩個(gè)問(wèn)題。進(jìn)行水印嵌入工作至少需要水印載體和水印信號(hào)。一般情況，水印信號(hào)需要經(jīng)過(guò)加密轉(zhuǎn)換再進(jìn)行嵌入。水印嵌入操作結(jié)束后的輸出結(jié)果就是含有水印信號(hào)的產(chǎn)品，用于安全傳輸或發(fā)布。根據(jù)檢測(cè)方法的差異，將水印技術(shù)又區(qū)分為盲水印技術(shù)和非盲水印技術(shù)。盲數(shù)字水印檢測(cè)提取的過(guò)程中是不需要原載產(chǎn)品參與的。數(shù)字水印的框架如圖2所示。

圖2 數(shù)字水印的框架

3.2 數(shù)字水印生成

要嵌入原始載體文件中的水印信號(hào)一般是有意義的文字或數(shù)字。一般情況需要對(duì)水印信號(hào)進(jìn)行加密處理，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換將文字符號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像格式，例如bmp圖像，再對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行二值化、灰度化處理，最后采用混沌置亂變換生成加密水印信號(hào)。處理結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 bmp格式水印信號(hào)

圖4 Arnold置亂變換后水印信號(hào)

3.3 數(shù)字水印嵌入

水印嵌入是數(shù)字水印技術(shù)的關(guān)鍵步驟，通過(guò)算法將水印信號(hào)嵌入到原始載體文件中。對(duì)于原始文件的格式不同，需要采用不同的算法，針對(duì)SHP特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合適的算法是研究的難點(diǎn)。水印嵌入流程圖如圖5所示。

圖5 水印嵌入過(guò)程

水印嵌入算法可以描述為：

有時(shí)為增強(qiáng)算法的安全性，在嵌入水印過(guò)程中會(huì)使用密鑰加密。

針對(duì)SHP這種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需要考慮水印嵌入的位置和水印與原始數(shù)據(jù)的結(jié)合方式。根據(jù)水印嵌入位置不同，分為空間域水印算法和變換域水印算法。由于SHP文件中的屬性數(shù)據(jù)都是用于描述文件屬性，內(nèi)容不能進(jìn)行修改，于是選擇采用空間域水印算法將水印嵌入到空間數(shù)據(jù)（坐標(biāo)）中。本文采用了一種可以同時(shí)抵抗頂點(diǎn)攻擊和幾何攻擊的魯棒性盲水印算法。

通過(guò)對(duì)矢量坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，對(duì)歸一化后的值進(jìn)行水印嵌入，結(jié)束后的數(shù)據(jù)值通過(guò)反歸一化，再次得到的數(shù)據(jù)就是含水印信號(hào)的數(shù)據(jù)。工作難點(diǎn)在于歸一化處理以及選取水印信號(hào)的嵌入位置，還需保證函數(shù)值前后變化差別不大，對(duì)原圖影響在可控范圍內(nèi)。

對(duì)第一次得到的函數(shù)值進(jìn)行水印信號(hào)的嵌入，選用QIM量化方法。水印信號(hào)在嵌入前要進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)換，生成隨機(jī)的0,1序列。嵌入后將函數(shù)值進(jìn)行反歸一化處理得到含水印的數(shù)據(jù)，寫(xiě)入原文件中。

通過(guò)線性變化的數(shù)據(jù)值，可以有效抵抗幾何攻擊。數(shù)據(jù)的平移和放大縮小等幾何攻擊都可以看作是對(duì)數(shù)據(jù)值的算術(shù)運(yùn)算，函數(shù)的選擇有效地將數(shù)量變化消化為零。QIM量化嵌入方式，使水印數(shù)據(jù)隨機(jī)分布到空間數(shù)據(jù)中，增強(qiáng)了算法的魯棒性。

采用上述嵌入方法進(jìn)行試驗(yàn)。作為水印嵌入的載體文件。矢量坐標(biāo)數(shù)據(jù)都精確到了小數(shù)點(diǎn)后15位，通過(guò)將數(shù)據(jù)放大為整數(shù)更適合變換。圖6為SHP格式的河北省區(qū)域圖像：

圖6 河北省區(qū)域SHP文件

表3是載體圖像的一些屬性信息。

表3 載體圖像屬性信

圖7是水印信號(hào)嵌入到載體文件后的圖像。

可以通過(guò)坐標(biāo)嵌入水印前后的坐標(biāo)誤差計(jì)算分析試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)表4的結(jié)果可知此方法前后誤差很小，滿足精度要求。

表4 試驗(yàn)結(jié)

3.4 數(shù)字水印提取

數(shù)字水印的提取算法是嵌入算法的逆過(guò)程，在嵌入過(guò)程中選用的函數(shù)處理方式，目的是在水印提取過(guò)程中不再需要原始數(shù)據(jù)的參與，達(dá)到盲檢測(cè)的效果，提高算法的可用性。數(shù)字水印提取過(guò)程如圖8所示：

圖8 數(shù)字水印提取過(guò)程

在水印實(shí)際提取過(guò)程中，通過(guò)嵌入的反向操作，將原始載體文件X與水印信號(hào)W分離，再對(duì)水印信號(hào)進(jìn)行置亂算法的逆過(guò)程，得到正確的二值序列，最后進(jìn)行符號(hào)轉(zhuǎn)換就可以看到水印的實(shí)際意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的水印添加方法是針對(duì)矢量數(shù)據(jù)SHP格式文件，對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采用歸一化處理后，通過(guò)QIM量化處理選定嵌入位置，并且在水印提取方面不需要原始載體文件的參與，實(shí)現(xiàn)盲水印目的。并且通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，這種水印方式可以有效抵抗幾何攻擊，具有較好的魯棒性，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便快捷。

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本課題得到河北省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（18240703D）、基于全盲魯棒水印的遙感影像版權(quán)保護(hù)的研究與應(yīng)用（2017011043）、基于遙感影像的SHP文件全盲魯棒數(shù)字水印加密算法研究與應(yīng)用（YKY-2018-12）資助。