[发明专利]一种针对shape点图层数据的差值扩展水印嵌入与提取方法

说明书

技术领域

本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种针对shape点图层数据采用差值扩展技术嵌入与提取水印的数字水印方法；本发明是一种可逆方法，提取水印过程中，结合密钥可恢复出原始数据。

背景技术

目前，数字水印技术正成为解决地理信息系统(GIS)矢量数据产品安全问题的主要技术手段。国内外学者针对于GIS矢量数据，提出了多种数字水印算法。由于水印数据的嵌入不可避免地会给原始数据带来扰动，在一定程度上降低了GIS矢量数据的质量，因此，可逆水印技术被引入进来。可逆水印技术，即无损数据隐藏，是指能够完整恢复原始载体数据的水印算法。目前可逆水印技术的主要方法包括利用差值扩大、无损压缩、可逆模加和改变直方图来实现算法的可逆性，而针对GIS矢量数据的可逆算法研究仅受到少部分学者的关注。

差值扩展技术的基本思想是通过对载体数据中满足嵌入精度条件的相邻点的坐标差值进行移位操作，在不损失原始信息的情况下为水印数据提供额外的存储空间。其中，邵承永等(《中国图象图形学报》，Vol.12，No.2，206-211页，2007年)基于差值扩大的思想，提出了一种应用于矢量地图的无损数据隐藏算法。其本质是利用了地图邻近顶点坐标数据具有较强相关性的特点，因而此算法只适用于GIS矢量数据中的多边曲线与多边形两种数据类型，不能处理点数据，这无疑给此技术的传播与推广带来了一定的障碍。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前差值扩大技术不能应用于GIS点图层数据的可逆水印嵌入与提取问题，提出一种针对shape点图层数据的水印嵌入与提取方法，从而使差值扩大技术能够应用于GIS矢量数据各数据类型的数字水印算法中。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案主要包括以下过程：

(1)水印嵌入过程：

步骤一：读取GIS点图层数据，配置嵌入算法的参数，主要有精度误差容限、坐标扩大倍数和密钥文件存放路径，然后检查输入数据及配置参数的合法性；

步骤二：分析上述点数据，依据以下公式确定嵌入过程采用的投影轴：

Y＝Ymax-(Ymax-Ymin)×1/2

其中Y表示横向投影轴，Ymax是数据点中最大纵坐标，Ymin是数据点中最小纵坐标；再按照数据点在该投影轴上的坐标值从小到大进行排序，对于坐标相同的重叠点，则选取投影之前垂直距离该投影轴最近的点作为水印嵌入的点；由此，形成投影轴方向上的一个坐标唯一且连续的点序列；

步骤三：把上述点序列作为水印嵌入的载体利用差值扩展技术嵌入可逆水印，具体采用差值扩大一倍的方式进行，即二进制形式的坐标差值左移一位；

(a)首先将步骤二中的数据依次两两配对，将原本是小数的坐标x_0i变成整数x_i，公式如下：

其中，表示向下取整，K是步骤一中的坐标扩大倍数；

(b)然后计算每两个配对点坐标值的差值d和整数平均值m；

(c)再以GIS矢量数据相应的数据精度要求为判别条件，将d代入以下公式来判断该组点是否适于采用差值扩展方式嵌入水印：

-2×R+1≤d≤2×R-2

其中，R是精度误差容限，x_front和x_back是此点对x_i和x_i+1的前后点坐标；如果d不满足上述三项中的任何一项，则为了增加嵌入容量，采用替换最低有效位的方式嵌入水印；否则，采用差值扩展方式嵌入水印，并在嵌入过程中记录相关信息以便恢复原始数据；

步骤四：保存嵌入水印之后的点数据，将嵌入过程中产生的相关信息保存为密钥文件；

(2)提取水印及原始数据恢复过程：

步骤一：读取待提取水印的GIS点图层数据，从密钥文件中读取嵌入相关参数，检查参数的合法性；

步骤二：根据读取的参数确定水印提取过程采用的投影轴，再按照点在该投影轴上的坐标值从小到大进行排序，对于坐标相同的重叠点，则选取投影之前垂直距离该投影轴最近的点作为提取水印的点；由此，形成投影轴方向上的一个坐标唯一且连续的点序列，即为提取水印的载体；

步骤三：利用上述水印嵌入过程步骤三中的方法，对点序列先进行两两配对分组，坐标经过扩大之后分别计算每两个配对点坐标值的差值和整数平均值；然后依次提取每个点对坐标差值的最低比特位，即得到嵌入的水印；再分别对每个点对计算原始差值：最后根据坐标差值和整数均值计算恢复之后的坐标数据；