抗解释攻击的矢量地图数据版权保护方法

摘要

抗解释攻击的矢量地图数据版权保护方法，包括以下步骤：根据版权信息设计一个具有唯一标识的虚拟图形指纹；虚拟图形指纹特征的嵌入方法；基于虚拟圆的矢量地图数字指纹特征点检测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及矢量地图数据与矢量图形数据等领域的数据版权保护方法。 

矢量地图是地理信息系统、交通移动信息服务、车辆导航、军事测绘等领域的核心资源，矢量地图数字水印提供了版权认证及内容完整性保护的服务，但对于解释攻击导致的多版权申明问题，数字水印的保护功能往往失去功效。 

矢量图形数据水印算法不同于传统的基于图像水印算法，这主要是由于矢量图形数据不具有图像数据应用的普遍性等原因，同时还在于矢量图形数据在数据结构、存储形式、表现方式、应用环境、使用要求以及可能的攻击行为等方面与图像等多媒体数据都不一样。 

解释攻击被公认为是数字水印技术应用的瓶颈，它不同于软件攻击或实体攻击，解释攻击并不针对水印嵌入过程或水印信息，而是利用水印在矢量地图中的孤立存在特性，向矢量地图嵌入伪水印使得用户无法判断水印的真伪和嵌入顺序，达到版权申明错乱的目的。 

由此可见，研究具有抗解释攻击的矢量地图数据水印技术在矢量地图数据上的应用具有更加潜在的用途。由于地理空间数据是描述关于人类赖以生存的地球的重要信息，是国家基础性、公益性设施，是国家基础设施建设和地球科学研究的支撑性成果，是国家经济、国防建设中不可缺少的资源，对社会持续发展起着重要作用。 

发明内容

为了克服现有的矢量地图数据的容易被非法拷贝、被逆向破解和原始数据无损恢复的不足，本发明提供一种能以有效解决矢量地图数据被非法拷贝、被逆向破解和原始数据无损恢复问题的抗解释攻击的矢量地图数据版权保护方法。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种抗解释攻击的矢量地图数据版权保护方法，包括以下步骤： 

（1）、根据版权信息设计一个具有唯一标识的虚拟图形指纹 

（1.1）、确定一个基于地图指北方向的网格基准方向，标识特征为网格的方向α，0≤α≤360； 

（1.2）、定义一组具有版权信息虚拟圆型指纹； 

（1.3）、版权信息主要包含在各圆的半径，以及圆与圆之间的间隔等数据中。 

（1.4）、所述虚拟圆型指纹经扩展可以覆盖矢量数字地图全图； 

（2）、虚拟图形指纹特征的嵌入方法 

虚拟圆型数字指纹特征的嵌入过程，对矢量地图数据中具有2个顶点以上的坐标序列与一组虚拟圆中的每一个虚拟圆检测是否有交点，如果存在交点，把相关交点插入到坐标序列中，具体如下： 

（2.1）、读取矢量地图坐标序列数据； 

（2.2）、计算虚拟圆的圆心坐标(X₀，Y₀)； 

（2.3）、确定虚拟圆的基准半径Υ； 

（2.4）、对坐标序列数据中的相邻两点，判断虚拟圆组中的虚拟圆(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²线段(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)之间是否有交点； 

（2.5）、则设交点为(X,Y)，那么其一定是(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)线段上的一点，其(X,Y)坐标可以由(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)两点决定： 

$>\left(\begin{array}{c}X=X_2+\mu (X_1-X_2)\\ Y=Y_2+\mu (Y_1-Y_2)\end{array}\right)---\left(2\right)$>

把公式（2）确定的交点(X,Y)代入已知的虚拟圆方程(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²求得μ一元二次方程Aμ²+Bμ+C＝0； 

其中：$>\left(\begin{array}{c}A={(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2\\ B=2((X_1-X_2)(X_2-X_0)+(Y_1-Y_2)(Y_2-Y_0))\\ C=A={(X_2-X_0)}^2+{(Y_2-Y_0)}^2-{\gamma }^2\end{array}\right)$>

根据μ的一元二次方程中的求根判别式Δ，当Δ=0时，线段与虚拟圆相切，当Δ>0时，线段与虚拟圆相交，且有两个交点；当Δ<0时，线段与圆没有交变。再求得μ一元二次方程解代入（2）式，即可求得交点(X,Y)坐标的坐标值； 

（2.6）、最后根据虚拟圆水印算法设计思想中的特征点嵌入策略，把虚拟圆型数字指纹特征点插入到坐标序列中的(X₁，Y₁)与(X₂，Y₂)之间，得到特征点分布整体的矢量地图数据。 

(3)基于虚拟圆的矢量地图数字指纹特征点检测方法，所述检测方法步骤如下： 

（3.1）、读取矢量地图坐标序列数据； 

（3.2）、输入具有密钥的虚拟圆定位坐标与虚拟圆基准半径； 

（3.3）、根据虚拟圆定位坐标与基准半径，对坐标序列数据中的相邻两点，判断虚拟圆组中的虚拟圆(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²与线段(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)之间是否有交点。 

（3.4）、设交点为(X,Y)，那么其一定是(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)线段上的一点，其(X,Y)坐标可以由(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)两点决定： 

$>\left(\begin{array}{c}X=\frac{X_1+\mu X_2}{1+\mu }\\ Y=\frac{Y_1+\mu Y_2}{1+\mu }\end{array}\right)---\left(2\right)$>

把公式（2）确定的交点(X,Y)代入已知的虚拟圆方程(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²求得μ一元二次方程； 

根据μ的一元二次方程中的求根判别式Δ，当Δ=0时，线段与虚拟圆相切，当Δ>0时，线段与虚拟圆相交，且有两个交点；当Δ<0时，线段与圆没有交变。再求得μ一元二次方程解代入（2）式，即求得交点(X,Y)坐标的坐标值； 

（3.5）、根据求得交点(X,Y)坐标的坐标值，线段的端点坐标的(X₁，Y₁)与(X₂，Y₂)进行比较；限差在规定范围内，即交点与端点非之间距离小于一个限定的误差值d时，此端点作为虚拟圆上的水印特征点提取出来； 

（3.6）、根据提取出来的特征点集，构建虚拟圆，以三点确定圆，其余点进行验证，符合虚拟圆方程的加入水印信息集，不符合的抛弃； 

（3.7）、最后，根据检测出来的虚拟圆反算虚拟圆构成参数，再依据密钥信息求解版权信息，实现版权信息的提取。 

本发明技术核心思想是针对矢量地图数字水印抵抗解释攻击的鲁棒性能较差的特点，提出了一种抗解释攻击的矢量地图数据版权保护方法。 

本发明的优点是：利用矢量地图数据的整体几何特点与应用特性，通过构造虚拟图形指纹特征信息，经过图形集合运算，把虚拟图形指纹特征信息以矢量地图数据特征点的形式嵌入到矢量图形数据序列 中，实现了虚拟图形指纹特征信息与矢量地图数据的有机融合，图形的集合运算具备版权的唯一性声明条件，再结合频域小波水印算法的鲁棒性，从而有效地解决了解释攻击造成的多版权声明问题。 

附图说明

图1为抗解释攻击的矢量地图数据版权嵌入方法原理示意图。 

图2为抗解释攻击的矢量地图数据版权检测方法原理示意图。 

图3为基于虚拟圆构建的具有版权信息的虚拟版权图形示意图。 

图4为矢量地图原始图。 

图5为被攻击后损失部分指纹特征点的具有版权信息矢量地图。 

图6为基于虚拟圆的矢量地图数字指纹特征点检测方法示意图。

具体实施方式 

下面结合附图对本发明作进一步描述。 

参照图1～图6，一种抗解释攻击的矢量地图数据版权保护方法。 

本实施例的具体工作过程为： 

图1-图2是抗解释攻击的矢量地图数据版权保护方法的原理示意图. 

（1）、如图3所示的是根据版权信息设计一个具有唯一标识的虚拟图形指纹. 

（1.1）、确定一个基于地图指北方向的网格基准方向，标识特征为网格的方向α，0≤α≤360； 

（1.2）、定义一组具有版权信息虚拟圆型指纹； 

（1.3）、版权信息主要包含在各圆的半径，以及圆与圆之间的间隔等数据中。 

（1.4）、所述虚拟圆型指纹经扩展可以覆盖矢量数字地图全图； 

（2）、图4为矢量地图原始图，图5为被攻击后，损失部分指纹特征点的具有版权信息矢量地图。 

其具体的虚拟图形指纹特征的嵌入方法如下： 

虚拟圆型数字指纹特征的嵌入过程，对矢量地图数据中具有2个顶点以上的坐标序列与一组虚拟圆中的每一个虚拟圆检测是否有交点，如果存在交点，把相关交点插入到坐标序列中，具体如下： 

（2.1）、读取矢量地图坐标序列数据； 

（2.2）、计算虚拟圆的圆心坐标(X₀，Y₀)； 

（2.3）、确定虚拟圆的基准半径Υ； 

（2.4）、对坐标序列数据中的相邻两点，判断虚拟圆组中的虚拟圆(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²与线段(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)之间是否有交点； 

（2.5）、则设交点为(X,Y)，那么其一定是(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)线段上的一点，其(X,Y)坐标可以由(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)两点决定： 

$>\left(\begin{array}{c}X=X_2+\mu (X_1-X_2)\\ Y=Y_2+\mu (Y_1-Y_2)\end{array}\right)---\left(2\right)$>

把公式（2）确定的交点(X,Y)代入已知的虚拟圆方程(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²求得μ一元二次方程Aμ²+Bμ+C＝0； 

其中：$>\left(\begin{array}{c}A={(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2\\ B=2((X_1-X_2)(X_2-X_0)+(Y_1-Y_2)(Y_2-Y_0))\\ C=A={(X_2-X_0)}^2+{(Y_2-Y_0)}^2-{\gamma }^2\end{array}\right)$>

根据μ的一元二次方程中的求根判别式Δ，当Δ=0时，线段与虚拟圆相切，当Δ＞0时，线段与虚拟圆相交，且有两个交点；当Δ＜0时，线段与圆没有交变。再求得μ一元二次方程解代入（2）式，即可求得交点(X,Y)坐标的坐标值； 

（2.6）、最后根据虚拟圆水印算法设计思想中的特征点嵌入策略，把虚拟圆型数字指纹特征点插入到坐标序列中的(X₁，Y₁)与(X₂，Y₂)之间，得到特征点分布整体的矢量地图数据。 

(3)基于虚拟圆的矢量地图数字指纹特征点检测方法，所述检测方法步骤如下： 

（3.1）、读取矢量地图坐标序列数据； 

（3.2）、输入具有密钥的虚拟圆定位坐标与虚拟圆基准半径； 

（3.3）、根据虚拟圆定位坐标与基准半径，对坐标序列数据中的相邻两点，判断虚拟圆组中的虚拟圆(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²与线段(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)之间是否有交点。 

（3.4）、设交点为(X,Y)，那么其一定是(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)线段上的一点，其(X,Y)坐标可以由(X₁，Y₁)-(X₂，Y₂)两点决定： 

$>\left(\begin{array}{c}X=\frac{X_1+\mu X_2}{1+\mu }\\ Y=\frac{Y_1+\mu Y_2}{1+\mu }\end{array}\right)---\left(2\right)$>

把公式（2）确定的交点(X,Y)代入已知的虚拟圆方程(X-X₀)²+(Y-Y₀)²＝r²求得μ一元二次方程； 

根据μ的一元二次方程中的求根判别式Δ，当Δ=0时，线段与虚拟圆相切，当Δ>0时，线段与虚拟圆相交，且有两个交点；当Δ<0时，线段与圆没有交变。再求得μ一元二次方程解代入（2）式，即求得交点(X,Y)坐标的坐标值； 

（3.5）、根据求得交点(X,Y)坐标的坐标值，线段的端点坐标的(X₁，Y₁)与(X₂，Y₂)进行比较；限差在规定范围内，即交点与端点非之 间距离小于一个限定的误差值d时，此端点作为虚拟圆上的水印特征点提取出来； 

（3.6）、根据提取出来的特征点集，构建虚拟圆，以三点确定圆，其余点进行验证，符合虚拟圆方程的加入水印信息集，不符合的抛弃； 

（3.7）、最后，根据检测出来的虚拟圆反算虚拟圆构成参数，再依据密钥信息求解版权信息，实现版权信息的提取。