一种矢量地图可逆信息隐藏方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地理信息科学、信息隐藏领域，具体讲是一种旋转、均匀缩放、平移不 变的矢量地图可逆信息隐藏方法。
【背景技术】
[0002] 现今，矢量地图作为地理信息系统（Geographical Information System,GIS)的 基础数据在军事、民用制图、城市规划、导航等领域得到了广泛的应用。获取矢量地图数据 要耗费大量人力、物力，而借助网络和地理信息处理工具，这些具有巨大经济价值的数据很 容易被非法复制、篡改和传播，使地理信息生产者和发布者蒙受重大损失。因此，如何有效 地保护矢量地图数据的版权及其完整性已成为地理信息产业迫切需要解决的问题。
[0003] 矢量地图信息隐藏技术是一种有效保护矢量地图版权和认证完整性的前沿技术， 它是在不影响矢量地图可用性的前提下，将秘密信息即水印隐藏在其中，并在需要时利用 一定的检测方法将其提取出来的方法。现有的大部分矢量地图信息隐藏方法通过修改顶点 坐标嵌入水印，这会给矢量地图的精度带来一定的扰动。而这种扰动在一些对矢量地图精 度有极其严格要求的高保真应用场景中是不容许的。为此，研究学者提出了水印提取后能 够恢复矢量地图原始数据的可逆信息隐藏方法。
[0004] 近年来，可逆信息隐藏技术已在图像、视频，音频以及文本数据领域取得了相当多 的研究成果，但在矢量地图可逆信息隐藏技术方面，人们取得的成果还比较少。Voigt等人 于2004年首先给出了一种用于二维矢量数据的可逆信息隐藏算法。该算法通过更改8个顶 点的整数DCT系数完成水印信息的嵌入，并在提取水印信息的同时无损恢复原始矢量地图 数据。这种方法能灵活调整隐藏容量以满足不同的应用需求。但是这种算法在变换域实现， 不容易控制水印的嵌入给二维矢量数据带来的扰动，且嵌入容量不高。Wang等人基于Tian 的差值扩大思想提出了两种二维矢量地图的可逆信息隐藏算法。一种算法通过直接改变相 邻坐标的差值嵌入水印；另外一种方法则通过改变顶点间曼哈顿距离的差值嵌入水印。这 两种方法简单易于实现，但由于嵌入水印时没有考虑矢量地图的形状特征，使得含水印矢 量地图在放大的状态下具有不自然的外形特征。周璐等人提出了一种基于差值直方图的矢 量地图可逆信息隐藏算法。此方案首先计算相邻顶点对的差值的直方图，然后优先选择绝 对值小的差值嵌入水印。该方案能够较好地保持矢量地图形状特征，但嵌入容量不足。钟尚 平等人提出一种采用复合整数变换差值扩大法的矢量地图可逆信息隐藏算法以提高水印 信息的透明性和水印的嵌入容量。这种方法在嵌入水印时充分考虑矢量地图图元的形状特 征，有较好的水印嵌入容量，但并不适用于点图元。Cao等人给出了通过改变中间值和平均 值的关系迭代嵌入水印信息的方法。该方法的嵌入容量较高，但多次迭代嵌入水印后，含水 印矢量地图质量可能不够高。基于虚拟坐标的思想，Wang等人提出了一种高嵌入容量的可 逆信息隐藏方法。该方法能够有效控制水印嵌入给矢量地图带来的精度扰动。这些二维矢 量地图可逆水印算法侧重于无损恢复原始数据、高嵌入容量和低精度扰动，不能容忍旋转、 缩放和平移攻击。但在一些应用中，旋转、缩放和平移后的矢量地图仍具有使用价值。因此， 一个好的矢量地图可逆信息隐藏算法应具有旋转、缩放和平移不变性，即能够容忍旋转、缩 放和平移操作，对旋转、缩放和平移鲁棒。
[0005] 综上所述，虽然人们目前提出了一些用于矢量地图可逆信息隐藏方法，试图解决 在传递秘密信息的同时，恢复原始数据的问题，但这些方法在抵抗旋转、缩放和平移攻击方 面还存在不足。
[0006] 另外，专利申请号2013102366569,名称为"一种基于LSD平面的矢量地图可逆信息 隐藏方法"；专利授权公告号CN102110281B，名称为"一种针对shape点图层数据的差值扩展 水印嵌入与提取方法"；专利授权公告号CN101604440B，名称为"基于空间特征的矢量地图 可逆水印处理方法"的中国专利文件中也涉及矢量地图的可逆信息隐藏问题，但本专利申 请采用方法不同，都不能同时对旋转、均匀缩放和平移鲁棒。
[0007] 美国专利库中的 "Reversible watermarking using expansion,rate control and iterative embedding"，与本专利申请针对内容不同，具体方法也不同。
【发明内容】
[0008] 本发明提出一种矢量地图可逆信息隐藏方法，一方面该方法依据参照顶点和矢量 地图的精度误差容限，计算归一化量化步长，量化参照顶点和每个顶点所在的直线，通过改 变每个顶点在其量化区间内的位置嵌入水印，获得较好不可见性的同时，对旋转、均匀缩放 和平移操作鲁棒;另一方面该算法在水印提取后，无损恢复矢量地图原始数据，能够有效确 保矢量地图的精确使用。该方案可逆，具有较好的不可见性和可逆性，能够抵抗旋转、均匀 缩放和平移攻击，是一种用于矢量地图可逆信息隐藏的实用算法。
[0009] 矢量地图图元（点图元、线图元和面图元)是由大量密集的顶点按照特定的顺序排 列而成的，地图数据就是这些顶点的二维坐标序列。矢量地图可逆信息隐藏技术是一种传 递秘密信息的重要手段，已有的矢量地图可逆信息隐藏技术不能在兼顾高嵌入容量的同 时，抵抗旋转、均匀缩放和平移攻击。针对上述问题，本发明提出一种矢量地图可逆信息隐 藏方法，包括如下步骤：
[0010] ⑴获取顶点坐标；
[0011 ]顺次扫描矢量地图顶点，获取顶点坐标序列V = {Vj (Xj，yj) I j = 1，2，…，η}，vj表示 顶点序列V中的第j个顶点，xj和yj分别表示顶点vj的x坐标和y坐标，n表示序列V的顶点数 目；
[0012] (2)选择参照顶点；
[0013] 在密钥Key的控制下，从步骤（1)的序列V中随机选取两个顶点作为水印嵌入过程 中米用的参照顶点，将选取的参照顶点记为顶点￥1!(11 ?1，5^1)和顶点￥￡2(1￡2,5^2)，11!和5^1分 别表示顶点vfi的X坐标和y坐标，xf2和yf2分别表示顶点vf2的X坐标和y坐标；
[0014] (3)计算量化步长；
[0015] 依据矢量地图的精度误差容限τ，计算嵌入参数Qw和归一化量化步长Sw，参数Qw将 直接作为水印提取及数据恢复阶段的输入参数；
[0016] (4)嵌入水印；
[0017] 依据步骤⑶得到的量化步长Sw，利用量化的方法，在步骤⑴的序列V的顶点中嵌 入水印，得到含水印顶点坐标序列V' = {v/ (x/，y/ ) | j = l，2，···，n}，vj'表示V'中的第j个 顶点，xj '和yj '分别表示顶点vj '的χ坐标和y坐标；
[0018] (5)水印提取及无损恢复；
[0019] 依据参照顶点和嵌入参数Qw，从步骤(4)含水印顶点坐标序列V'中提取含水印矢 量地图水印信息并恢复其原始数据;具体步骤如下：
[0020] (5.1)获取含水印顶点坐标；
[0021] 依据步骤（1)，获取含水印矢量地图的顶点坐标序列V' = {v/(x/，y/)|j = l， 2，…，η};其中，vj '表示V '的第j个顶点，χj '和yj '分别表示顶点vj '的χ坐标和y坐标，η表示 序列V'的顶点数目。
[0022] (5.2)选择参照顶点；
[0023]在密钥Key的控制下，从顶点坐标序列V'中随机选取两个顶点作为水印嵌入过程 中采用的参照顶点；
[0024] (5.3)计算量化步长；
[0025] 依据Qw和步骤(3)的公式，计算归一化量化步长Sw;
[0026] (5.4)提取水印和恢复原始数据；
[0027] 提取步骤(1)中含水印顶点序列V'的水印信息，恢复V'的原始数据，最终得到恢复 后的顶点序列￥={^(取，71)|1 = 1，2，~，11}，恢复矢量地图原始数据。
[0028] 进一步的，所述的计算嵌入参数仏和归一化量化步长5|的方法为：
[0030]其中，||VflVf2||为参照顶点Vfl和Vf2之间的欧几里得距离，参数Q w将直接作为水印提 取及数据恢复阶段的输入参数。
[0031 ]进一步的，假设顶点Vj (Xj，yj) (j = 1，2，…，n，Vj矣Vfi，Vj矣Vf2)为待嵌入水印的顶 点，为待嵌入的水印，c为每个顶点中嵌入的水印比特数目，所述的嵌入水印的 具体步骤如下：
[0032 ] (4.1)依据归一化量化步长Sw，以参照顶点vfi为起点，将参照顶点vfi和顶点vj确定 的直线量化，并计算顶点~所在的量化区间的索引值;/
[0034] 其中，l|VflVj||