[发明专利]一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法

说明书

技术领域

本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种基于压缩感知的矢量地理数据的水印信息生成方法，以提高矢量地理数据水印算法的安全性和适应性。

背景技术

矢量地理数据是国家基础地理数据的重要组成部分，是国家基础设施建设和地球科学研究的支撑性成果，已广泛应用到政府、军队、社会的方方面面。然而，随之而来的盗版、侵权、泄密等安全问题给矢量地理数据的安全造成了巨大的危害，迫切需要可靠的技术手段保护矢量地理数据的安全。数字水印技术作为信息安全领域发展起来的前沿技术，在版权保护、跟踪侵权、内容认证等方面具有重要作用。

近年来，数字水印技术的研究取得了重要的进展，特别在图形、图像、视频和音频等方面的水印研究得到了广泛的应用。基于矢量地理数据的重要性和安全保护的紧迫性，矢量地理数据水印研究和应用也取得了较为丰富的成果，特别在水印嵌入和检测方面取得了重要的进展。

数字水印信息生成是数字水印处理过程中的第一个关键步骤。它是通过一定的算法将文字、图形等版权、用户信息转化生成一定长度的二值序列的水印信息，然后通过嵌入算法嵌入到载体数据中，必要时通过检测算法检测出来。

水印信息生成直接关系到水印嵌入和检测，直接关系到算法的鲁棒性和不可见性，直接关系到水印检测的可靠性。特别是水印的嵌入量对水印嵌入和检测影响非常大。如果嵌入水印量少,则影响方法的鲁棒性，且极易产生误检；如果嵌入水印量多，则影响方法的不可见性，更重要的是对小数据量的载体数据，根本不能嵌入太多的水印信息。然而，对于分层存储的矢量地理数据，很多层数据量都比较小，往往只有一、两百个甚至几十个坐标点，水印信息难以嵌入到这些小数据量数据中。因此，如何生成足够量的水印信息已成为制约矢量地理数据水印技术研究和应用的瓶颈问题。

如果能有效地对水印信息进行处理，利用少量的信息表征大容量的水印信息，则相当于扩展水印信息量，是有效解决目前制约水印技术瓶颈问题的一条有效途径，而目前现有的水印信息生成方式难以扩大水印信息量，迫切需要利用新的理论和方法去解决。

近几年发展起来的压缩感知理论（Compressive Sensing，CS）为扩大水印信息量提供了新的可能的途径。CS理论是一种新兴的信号采样理论，它对于可压缩的或在某个变换域是稀疏的信号，用一个与变换基不相关的观测矩阵将变换所得高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解一个优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构出原信号，从一个全新的角度压缩信号。

鉴于矢量地理数据水印信息具有高度可压缩性，利用CS理论能够在不丢失原始水印信息的情况下，实现水印信息的高比例压缩，这样可以极大的扩充水印信息量，提高算法的鲁棒性和安全性，特别是解决较小载体数据无法嵌入足够水印信息量这一瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前水印信息容量受限、小数据量矢量地理数据无法嵌入水印信息等问题，提出一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法，解决水印信息容量限制和小数据量数据水印嵌入难的问题，提高矢量地理数据水印算法的安全性和适应性。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）矢量地理数据水印信息稀疏表达：

读取原始水印信息{w_ij,i=1,2，...,M,j=1,2，...,N}为M×N大小的二值图像；

计算原始水印信息的高斯白噪声统计特性；

原始水印信息经过快速曲波变换后得到稀疏二值水印图像{v_ij,i=1,2,...,M′,j=1,2,...,N′}，其中M′<M，N′<N；

将二维的水印信息先按行再按列扫描，将其转换成一维水印信息{W_i,i=1,2,...,M′×N′}；

（2）水印信息测量矩阵构建：

构建初始随机测量矩阵u=(u₁,u₂,...,u_L)∈R^L，且每个元素都独立地服从高斯分布；

在托普利兹矩阵U中随机地选取其中的M行构造初始测量矩阵Φ∈R^M×N；

建立初始测量矩阵的约束条件；

计算稀疏一维水印信息W和各个观测行向量之间的内积，即对稀疏一维水印信息进行投影，构建矢量地理数据水印信息稀疏表达模型；

（3）水印嵌入：