面向二维数字矢量地图的无损数字水印技术研究

摘要

随着地理信息系统(GIS)的迅猛发展,二维矢量地图在国民经济各领域得到了广泛的应用。同时也面临着一系列安全问题,包括版权保护、来源跟踪、篡改鉴别等。数字水印技术在解决这些问题方面显示出巨大潜力。但是在一些特殊的场合,对二维数字地图数据精度有着极高的要求,不允许嵌入的水印信息对矢量地图原始数据有任何的扰动,传统的数字水印技术并不能完全解决这类问题。无损水印技术具有在精确提取水印信息的同时,对原始地图数据无损恢复,因此对二维数字矢量地图有很高的适用性。
　　目前矢量地图无损水印技术的研究尚处在起步阶段,虽然人们提出了若干适用于矢量地图可逆水印算法和零水印算法,但这些水印算法并没有很好地解决矢量地图在实际应用过程中的安全性和鲁棒性问题。
　　本论文以二维矢量地图特殊的数据结构为研究对象,从其特殊的应用环境、使用要求及特殊的攻击方式为出发点,深入研究具有较好鲁棒性,安全性的二维矢量地图无损水印算法,本文的主要贡献可归纳如下几点:
　　首先针对目前以矢量地图多边曲线为载体的传统水印算法,在水印嵌入的同时对地图数据扰动过大问题,提出了基于视觉不可感知的可逆水印算法,通过顶点密度估计策略选取地图多边曲线的噪声不敏感区域作为载体数据,并选择地图数据坐标频域作为水印嵌入位置,从而有效提高了水印算法的视觉不可感知性及其鲁棒性。
　　其次针对矢量地图数据高精度需求及其特殊的水印攻击方式,以矢量地图多边形图元特征点提取为基础,提出了基于图谱域的可逆水印算法。通过特征点星树构造,选择出最优的拉普拉斯(Laplacian)图谱域系数作为水印载体,确保视觉隐蔽性及水印信息的鲁棒性,使得矢量地图保持基本形状特征的同时,具有抗图形简化攻击能力。
　　再次针对数字矢量地图隐秘传输及大容量水印嵌入问题,以矢量地图高密度区域选取为基础,提出基于迭代嵌入思想的可逆水印算法,以理论推导结果为指导,选取出多边曲线高密度区域为水印的载体数据,实现了具有高嵌入容量及的较小扰动的矢量地图可逆水印方案。
　　另外结合矢量地图内容安全与水印版权保护技术,提出基于非线性变换的可逆水印算法,以特征点提取为基础,提出一种非线性置乱方案,在保持矢量地图多边曲线特征点相对位置的前提下对特征点位置进行非线性置乱,解决非授权用户对矢量地图高精度数据的非法使用问题。并利用提出的可逆水印方案将水印信息可逆嵌入在顶点坐标中,解决了矢量数据的版权保护问题的同时满足了授权用户对高精度数据的使用。
　　最后以矢量地图线图元特征点提取为基础,针对反映线图元基本形状的特征点和反映线图元细节的非特征点,分别采用前馈神经网络模型和SVD方法,构造能够抵抗简化、压缩攻击和常见几何攻击的双重零水印参数。实验结果表明该方案很好地刻画了矢量地图线图元的整体特性,构造的双重水印参数有助于提高水印算法的抗攻击能力,达到对矢量地图全面保护的目的。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 数字水印基本理论

1.3 矢量地图基本理论

1.4 矢量地图传统水印研究现状

1.5 矢量地图无损水印研究现状

1.6本文研究内容及结构安排

第2章 基于视觉不可感知的矢量地图可逆水印算法

2.1 引言

2.2噪声不敏感区域选取策略

2.3 可逆水印算法分析与实现

2.4实验验证与分析

2.5 本章小结

第3章 基于图谱域的矢量地图可逆水印算法

3.1 引言

3.2特征点提取

3.3 图谱域系数选取策略

3.4 基于图谱域的可逆水印算法实现

3.5实验验证与分析

3.6 本章小结

第4章 基于高容量嵌入的矢量地图可逆水印算法

4.1 引言

4.2 迭代嵌入算法

4.3 基于高容量嵌入的可逆水印方案

4.4实验验证与分析

4.5 本章小结

第5章 基于非线性置乱的矢量地图可逆水印算法

5.1 引言

5.2 特征点提取

5.3 非线性置乱策略

5.4 基于非线性置乱的可逆水印算法

5.5实验验证与分析

5.6 本章小结

第6章 基于整体特性的矢量地图双重零水印算法

6.1 引言

6.2 特征点提取与分组

6.3 基于整体特性的双重零水印

6.4实验验证与分析

6.5 本章小结

结论

论文总结

未来展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历