基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911299047.1 (22)申请日 2019.12.17 (71)申请人 中国人民解放军海军大连舰艇学院 地址 116000 辽宁省大连市中山区解放路 667号 (72)发明人 彭认灿董箭陈阳贾帅东 李彬彬 (74)专利代理机构 大连优路智权专利代理事务 所(普通合伙) 21249 代理人 宋春昕 (51)Int.Cl. G06T 1/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印 方法 (57)摘要 基于水深特征的ENC电子航海图零。

2、水印方 法， 包括零水印构造和零水印提取检验方法， 既 克服了空间特征的可逆水印算法对电子海图数 据造成一定数据(空间)扰动， 又提升了属性特征 的无损水印算法精度约减的抵抗性。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 111242825 A 2020.06.05 CN 111242825 A 1.一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 其特征在于： 包括零水印构造方 法， 步骤如下： 步骤一： 对ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据； 步骤二： 对构造零水印的水深数据构建Delaunay三角网， 利用水深插值先提取坡向特 征线， 根据提取的特征线作为骨架线， 判断线上点对之间。

3、坡向特征性进而提取特征点； 步骤三： 对提取的特征点选取合适的阈值进行点约束分块， 再通过ZigZag排序各分块 内水深点， 进而得到水深点经纬度坐标二进制序列， 保证每个分块内的坐标二进制序列的 长度大于水印序列的长度； 步骤四： 对原始水印图像进行Arnold置乱得到加密水印图像， 再通过分组转化得到水 印序列； 步骤五： 将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作得到零水印图像即零 水印； 步骤六： 将各个分块产生的零水印图像， 以及原始水印图像保存。 2.根据权利要求1所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 其特征在 于： 还包括零水印提取检验方法， 包括以下步骤：。

4、 步骤一： 对待检测ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据； 步骤二： 对水深点数据构建Delaunay三角网， 利用水深插值提取坡向特征线进一步判 断并提取水深特征点； 步骤三： 对提取的特征点进行点约束分块， 再通过ZigZag排序各分块内水深点， 进而得 到水深点经纬度坐标二进制序列； 步骤四： 对水印图像进行分组转化得到水印序列， 将经纬度坐标二进制序列与水印序 列进行补位异或操作， 按照原来水印的大小提取若干加密水印图像， 再进行Arnold逆置乱 得到待检测数据的水印图像； 步骤五： 将多个提取的水印图像与原始水印图像进行对比验证， 利用归一化相关系数 NC值衡量两图像相似性， 。

5、进而判断待检测数据的版权归属。 3.根据权利要求1所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 其特征在 于： 所述零水印构造步骤三中， ENC电子航海图中位置使用的单位是转换成整数型的十进制 度数， 被转换的坐标整数值用二进制进行编码， 采用精度有效位前的整数值转换为二进制。 4.根据权利要求1所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 其特征在 于： 所述零水印构造步骤四、 步骤五中， 采用Arnold变换方式对水印进行加密处理， 采用长 和宽相等的图片数据Arnold置乱， Arnold变换公式为： 其中N为图片的长和宽的大小,X和Y为原始图像上的一点的横纵坐标， 经过。

6、变换形成了 另一个点坐标X ,Y ， 将变换后的图像二值化处理， 与分块后的坐标二进制序列进行补位异 或操作得到零水印图像。 5.根据权利要求2所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 其特征在 于： 所述零水印提取检验步骤四中， 对提取后的置乱的图像进行还原处理时， 对正向置换公 权利要求书 1/2 页 2 CN 111242825 A 2 式求逆矩阵， 得到Arnold置换的逆变换公式， 则直接通过逆变换公式形成原图像， Arnold变 换的逆变换公式如下： 6.根据权利要求2所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 其特征在 于： 所述零水印提取检验步骤五中， 通。

7、过相似度值和所设定的阈值比较判断水印数据是否 具有版权认证性， 相似度(NC)的计算公式如下： 其中W(i,j)表示原始水印数据中(i,j)处的像素值， W (i,j)表示矢量海图提取出的水 印数据(i,j)处的像素值， m,n表示水印图片数据的行与列的值， 当NC为1时， 说明提取后的水印图片数据与原始水印图片数据完全相同， 图片受攻击后 没有发生变化； 当NC值处于01之间时， 越靠近1， 说明数据相似度越高， 水印鲁棒性强； 反 之说明相似度越低， 水印鲁棒性差， 其中NC值取0.7作为识别水印的阈值。 7.根据权利要求2所述的一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 其特征在 于。

8、： 所述零水印提取检验步骤五中， 对比验证通过结构相似度SSIM衡量， SSIM为： SSIM(W,W)l(W,W)c(W,W)s(W,W)#(4) 其中W是水印图像， W 是提取后的水印图像， SSIM的值越接近1， 可以说两幅图像越相似且图像的质量越好。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111242825 A 3 一种基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法 技术领域 0001 本发明涉及海洋测绘技术领域。 背景技术 0002 ENC电子航海图零水印技术属于一种特殊应用范围内的数字水印技术， 其在ENC电 子航海图版权保护或内容认证等领域有广泛的应用。 0003 当前， 对于二维电子海图。

9、数字水印算法的研究主要有基于空间特征的可逆水印算 法、 基于属性特征的无损水印算法和基于语义的数字水印算法。 基于空间特征的可逆水印 算法， 电子海图在本质上是由离散的矢量结点通过不断变化演化而来， 通过解析海图的演 化过程可以获得水印的嵌入结点， 进而实现可逆水印算法的嵌入， 为了避免对电子海图造 成过大的数据扰动， 水印的嵌入过程需要保持在一定扰动范围内， 并在成功提取出水印信 息后， 对数字水印信息进行相似度计算。 基于属性特征的无损水印算法， 采用基于梯度算法 的零比特动态无损水印实现方法， 将零比特扩展技术用于水印处理， 并同数字水印梯度算 法的嵌入点选取技术相结合， 具有较好地水印。

10、不可见性及鲁棒性。 基于语义的数字水印算 法， 语义水印的使用目标是限定在合法用户内部， 传播环境受控， 在此基础上， 限定每个用 户权限， 在打开地图数据前， 用户无法发起对语义水印的直接攻击， 同时， 语义水印采取冗 余嵌入的方式， 在分发地图之前， 将一些冗余的顶点嵌入到地图， 用户使用地图前， 权限水 印被提取， 冗余顶点同步清除， 不对地图正常使用造成干扰。 0004 上述三种算法仍存在许多不足： 基于空间特征的可逆水印算法对电子海图数据造 成一定数据(空间)扰动范围； 基于属性特征的无损水印算法在ENC电子航海图中难以加入 零比特水印， 因为S57规范中位置使用的单位是经纬度坐标并。

11、通过乘数因子COMF转化为整 数值， 同时精度约减抵抗性、 格式转换抵抗性和解释攻击抵抗性差。 基于语义的数字水印算 法， 着重采用图像匹配技术， 更广泛的语义信息的数字水印有待研究， 同时， 海图更新ER是 最常见的操作， ENC海图数据的可改正性不足。 实验环境方面， 三种算法都使用MapInfo软 件， 电子海图的主要构成形式为SHP文件。 发明内容 0005 为克服上述三种方法存在的不足， 本发明提供了一种基于水深特征的ENC电子航 海图零水印技术。 0006 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是： 一种基于水深特征的ENC电子航海 图零水印方法， 包括零水印构造方法， 步骤如下： 。

12、0007 步骤一： 对ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据； 0008 步骤二： 对构造零水印的水深数据构建Delaunay三角网， 利用水深插值先提取坡 向特征线， 根据提取的特征线作为骨架线， 判断线上点对之间坡向特征性进而提取特征点； 0009 步骤三： 对提取的特征点选取合适的阈值进行点约束分块， 再通过ZigZag排序各 分块内水深点， 进而得到水深点经纬度坐标二进制序列， 保证每个分块内的坐标二进制序 说明书 1/5 页 4 CN 111242825 A 4 列的长度大于水印序列的长度； 0010 步骤四： 对原始水印图像进行Arnold置乱得到加密水印图像， 再通过分组转化得。

13、 到水印序列； 0011 步骤五： 将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作得到零水印图像 即零水印； 步骤六： 将各个分块产生的零水印图像， 以及原始水印图像保存； 0012 还包括零水印提取检验方法， 包括以下步骤： 0013 步骤一： 对待检测ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据； 0014 步骤二： 对水深点数据构建Delaunay三角网， 利用水深插值提取坡向特征线进一 步判断并提取水深特征点； 0015 步骤三： 对提取的特征点进行点约束分块， 再通过ZigZag排序各分块内水深点， 进 而得到水深点经纬度坐标二进制序列； 0016 步骤四： 对水印图像进行分组转化得到。

14、水印序列， 将经纬度坐标二进制序列与水 印序列进行补位异或操作， 按照原来水印的大小提取若干加密水印图像， 再进行Arnold逆 置乱得到待检测数据的水印图像； 0017 步骤五： 将多个提取的水印图像与原始水印图像进行对比验证， 利用归一化相关 系数NC值衡量两图像相似性， 进而判断待检测数据的版权归属。 0018 所述零水印构造步骤三中， ENC电子航海图中位置使用的单位是转换成整数型的 十进制度数， 被转换的坐标整数值用二进制进行编码， 采用精度有效位前的整数值转换为 二进制。 0019 所述零水印构造步骤四、 步骤五中， 采用Arnold变换方式对水印进行加密处理， 采 用长和宽相等的。

15、图片数据Arnold置乱， Arnold变换公式为： 0020 0021 其中N为图片的长和宽的大小,X和Y为原始图像上的一点的横纵坐标， 经过变换形 成了另一个点坐标X ,Y ， 将变换后的图像二值化处理， 与分块后的坐标二进制序列进行补 位异或操作得到零水印图像。 0022 所述零水印提取检验步骤四中， 对提取后的置乱的图像进行还原处理时， 对正向 置换公式求逆矩阵， 得到Arnold置换的逆变换公式， 则直接通过逆变换公式形成原图像， Arnold变换的逆变换公式如下： 0023 0024 所述零水印提取检验步骤五中， 通过相似度值和所设定的阈值比较判断水印数据 是否具有版权认证性， 相。

16、似度(NC)的计算公式如下： 0025 0026 其中W(i,j)表示原始水印数据中(i,j)处的像素值， W (i,j)表示矢量海图提取出 的水印数据(i,j)处的像素值， m,n表示水印图片数据的行与列的值， 说明书 2/5 页 5 CN 111242825 A 5 0027 当NC为1时， 说明提取后的水印图片数据与原始水印图片数据完全相同， 图片受攻 击后没有发生变化； 当NC值处于01之间时， 越靠近1， 说明数据相似度越高， 水印鲁棒性 强； 反之说明相似度越低， 水印鲁棒性差， 其中NC值取0.7作为识别水印的阈值。 0028 所述零水印提取检验步骤五中， 对比验证通过结构相似度。

17、SSIM衡量， SSIM为： 0029 SSIM(W,W)l(W,W)c(W,W)s(W,W)#(4) 0030 其中W是水印图像， W 是提取后的水印图像， 0031 0032 SSIM的值越接近1， 可以说两幅图像越相似且图像的质量越好。 0033 本发明的基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 既克服了空间特征的可逆 水印算法对电子海图数据造成一定数据(空间)扰动， 又提升了属性特征的无损水印算法精 度约减的抵抗性。 附图说明 0034 图1为本发明的ENC电子航海图零水印构造流程图。 0035 图2为ENC电子航海图零水印提取与检验流程图。 0036 图3为SuperMap软件操作。

18、平台示意图。 0037 图4(a)为原始水印示意图。 0038 图4(b)为水印图像Arnold置乱1次后水印示意图。 0039 图4(c)为水印图像Arnold置乱2次后水印示意图。 0040 图4(d)为水印图像Arnold置乱10次后水印示意图。 0041 图4(e)为水印图像Arnold置乱20次后水印示意图。 0042 图4(f)为水印图像Arnold置乱30次后水印示意图。 具体实施方式 0043 本发明的基于水深特征的ENC电子航海图零水印方法， 包括零水印构造和零水印 提取检验， 其中零水印构造如图1所示， 包括以下步骤： 0044 步骤一： 对ENC电子航海图通过SuperM。

19、ap超图软件进行预处理得到水深点数据； 0045 步骤二： 对构造零水印的水深数据构建Delaunay三角网， 利用水深插值先提取坡 向特征线， 根据提取的特征线作为骨架线， 判断线上点对之间坡向特征性进而提取特征点， 坡向特征线是用于描述水深点坡向关系树的概念线， 是为特征浅点提取提供判定依据的过 渡虚拟连线， 限定条件为设定水深数据的深度值选取阈值区间， 即以图上闭合等深区域内 的水深数据为一类， 避免区间外数据对区间内数据的影响。 在构建三角网并提取特征线后， 利用特征线作为海底地形的骨架线， 判断线上点对之间坡向特征性， 即将水深数据中的最 浅点和相对浅点认定为 “特征浅点” 进行提取。

20、； 说明书 3/5 页 6 CN 111242825 A 6 0046 步骤三： 对提取的特征点选取合适的阈值进行点约束分块， 再通过ZigZag排序各 分块内水深点， 进而得到水深点经纬度坐标二进制序列， 保证每个分块内的坐标二进制序 列的长度大于水印序列的长度， ENC电子航海图中位置使用的单位是转换成整数型的十进 制度数， 被转换的坐标整数值用二进制进行编码， 为了抗精度约减， 采用精度有效位前(舍 弃后两位)的整数值转换为二进制， 依次通过ZigZag排序并记录各块内的经纬度二进制序 列， 保证每个分块内的坐标序列长度大于水印序列的长度， 单个水深点经纬度通过乘数因 子COMF(107。

21、)转换为整数， 在精度允许范围内可以舍弃末一(两)位再用二进制编码； 0047 步骤四： 对原始水印图像进行Arnold置乱得到加密水印图像， 再通过分组转化得 到水印序列， 使用Arnold变换方式对水印进行加密处理,如图4所示； 0048 步骤五： 将经纬度坐标二进制序列与水印序列进行补位异或操作得到零水印图像 即零水印， 为简化计算， 采用长和宽相等的图片数据Arnold置乱， 由于Arnold置乱方式具有 周期性， 根据ENC电子海图接收用户的不同， 将置乱的次数映射不同的用户， 并作为密钥存 储起来。 Arnold变换公式为： 0049 0050 其中N为图片的长和宽的大小,X和Y为。

22、原始图像上的一点的横纵坐标， 经过变换形 成了另一个点坐标X ,Y ,将变换后的图像二值化处理， 与分块后的坐标二进制序列进行补 位异或操作得到零水印图像， N越大， 表示的水印信息量越大， 循环周期T越长， 通过置乱次 数(密钥)映射的海图用户越多； 0051 步骤六： 将各个分块产生的零水印图像， 以及原始水印图像保存至版权保护中心 (IPR)， 并加入具有法律效力的时间戳， 抵抗解释攻击。 0052 零水印提取检验如图2所示， 包括以下步骤： 0053 步骤一： 对待检测ENC电子航海图进行预处理得到水深点数据； 0054 步骤二： 对水深点数据构建Delaunay三角网， 利用水深插值。

23、提取坡向特征线进一 步判断并提取水深特征点； 0055 步骤三： 对提取的特征点进行点约束分块， 再通过ZigZag排序各分块内水深点， 进 而得到水深点经纬度坐标二进制序列； 0056 步骤四： 对水印图像进行分组转化得到水印序列， 将经纬度坐标二进制序列与水 印序列进行补位异或操作， 按照原来水印的大小提取若干加密水印图像， 再进行Arnold逆 置乱得到待检测数据的水印图像， 对提取后的置乱的图像进行还原处理时， 若之前经过n次 置换， 则还需要进行T-n次迭代才能恢复原图像， 显然只靠一个正向公式运算量太大， 因此 对正向置换公式求逆矩阵， 得到Arnold置换的逆变换公式， 则直接通。

24、过逆变换公式进行同 样次数n的变换便能形成原图像,Arnold变换的逆变换公式如下： 0057 0058 步骤五： 将多个提取的水印图像与原始水印图像进行对比验证， 利用归一化相关 系数NC(Normalized Correlation)值衡量两图像相似性， 进而判断待检测数据的版权归 属， 检测的目的是测试嵌入的数字水印的鲁棒性， 在对矢量海图进行几何变换(平移、 旋转、 说明书 4/5 页 7 CN 111242825 A 7 缩放)， 地图裁剪、 数据删除和增加后， 计算提取出的水印数据和原始水印数据的归一化相 关系数(Normalized Correction， NC)， 通过相似度值。

25、和所设定的阈值比较判断水印数据是 否具有版权认证性。 相似度(NC)的计算公式如下： 0059 0060 其中W(i,j)表示原始水印数据中(i,j)处的像素值， W (i,j)表示矢量海图提取出 的水印数据(i,j)处的像素值， m,n表示水印图片数据的行与列的值， 0061 当NC为1时， 说明提取后的水印图片数据与原始水印图片数据完全相同， 图片受攻 击后没有发生变化； 当NC值处于01之间时， 越靠近1， 说明数据相似度越高， 水印鲁棒性 强； 反正说明相似度越低， 水印鲁棒性差。 其中NC值一般取0.7作为识别水印的阈值。 0062 对比验证还可以通过结构相似度(SSIM)衡量， S。

26、SIM的定义为： 0063 SSIM(W,W)l(W,W)c(W,W)s(W,W)#(4) 0064 其中W是水印图像， W 是提取后的水印图像, 0065 0066 SSIM的值越接近1， 可以说两幅图像越相似且图像的质量越好， 一般来说， SSIM的 值大于0.5， 人们就可以接受该图像的质量。 0067 本发明是通过实施例进行描述的， 本领域技术人员知悉， 在不脱离本发明的精神 和范围的情况下， 可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。 另外， 在本发明的教 导下， 可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精 神和范围。 因此， 本发明不受此处所公开的具体实施例的限制， 所有落入本申请的权利要求 范围内的实施例都属于本发明的保护范围。 说明书 5/5 页 8 CN 111242825 A 8 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 9 CN 111242825 A 9 图4 说明书附图 2/2 页 10 CN 111242825 A 10 。