一种基于fft的矢量地图版权保护新方法外文翻译资料

 2022-08-27 10:08

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一种基于fft的矢量地图版权保护新方法

本文提出了一种新的基于鲁棒的矢量地图版权保护方法

基于FFT算法的水印。作为水印插入矢量地图中的版权标记。水印除了具有数据源认证功能外，还采用RSA加密算法生成水印。结果的质量度量基于数字水印的三个特征:(1)使用RMSE计算的不可见性，(2)使用最远距离的保真性，(3)NC计算和几何级别的鲁棒性。实验结果表明，该方法能够在矢量地图上成功地插入版权作为水印。不可见性测试结果良好，RMSE接近于零。水印地图的保真度也得到了保持。在不直接影响水印位值的情况下，保持了水印对矢量地图结果的几何攻击的鲁棒性。

关键词:版权保护，矢量地图，鲁棒水印，快速傅里叶变换

1. 介绍

在过去的几十年里，地理空间数据的生产过程已经从纸张演变而来

地图转换为数字数据格式，这是由于地理数据收集设备的计算机技术发展的影响，例如地理定位系统(GPS)和提供精确空间坐标数据的卫星。矢量地图作为地理信息系统(GIS)的基础数据已经取代了模拟数据或打印数据的作用。这是可以理解的，因为与纸质数据相比，地理空间矢量数据具有高精度数据、自动化过程和无损缩放的优势。数字地图交易中更容易的制作、存储和分发带来了其他后果，即易于操纵和获取。它鼓励地图制作者需要一种地图制作机制，以方便版权标记[2]。此外，地图使用者还需要知道他们接收到的空间数据的所有权标识。此外，监管机构还需要验证公共分布地图所有权的有效性。数字水印是解决这一问题的最佳方案之一。

数字水印是一种通过插入特定信息(参见

(作为水印)载入数码媒体文件，当用于数码地图时，该资料可能包含用于核实地图完整性或所有权的数据;假设插入过程会导致生成的映射[3]产生很小的失真值。鲁棒数字水印是一种数字水印技术，当其插入媒体点因攻击或数据处理而发生变化时，具有抗数据内容删除和修改的特性。在应用阶段，这种技术通常用于版权保护。鲁棒数字水印技术在地图矢量上的应用可分为两类领域;空间域和变换域[3]。主要的

变换算法有DFT(离散傅里叶变换)、DWT(离散小波变换)和DCT(离散余弦变换)[4]。这些数字水印在转换域是已知的强大的攻击。对于数字媒体版权保护的应用，鲁棒数字水印技术主要工作在变换领域;由于变换域与空间域相比具有不可见性和强鲁棒性等优点，且实现容易。目前，研究人员主要集中于图像[6]-[11]和音频[12]-[16]变换域的鲁棒数字水印算法。文件矢量映射的特征与图像或音频作为水印嵌入媒体有很大的不同。因为它采用了一种不同的技术来在矢量地图中插入信息。已有研究提出了基于DFT[2]、IWT(整数小波变换)[17]和DCT[18]-[20]的数据变换算法在矢量地图的变换域上使用鲁棒数字水印。目前只有两项研究是专门为矢量地图版权保护而进行的[2]，[17]。对版权数字地图使用不同技术的研究还有DCT[21]盲水印、[22]空间域零水印、[23]空间域递归水印、[24]空间拓扑域水印和[25]空间域可逆水印。

为提高矢量地图的版权保护性能，本研究进行了研究

提出了利用FFT数据变换算法将鲁棒数字水印域变换作为矢量地图版权证明的方法。fft算法是目前数字水印领域非常流行的一种算法，从未用于矢量地图作为嵌入式媒体。FFT与其他一些数据转换算法[27]相比，在保证插入质量的同时减少了计算量，因此经常被使用。除了所有权标记的目的外，本研究中采用的方法还提供了数据源身份验证功能

通过RSA公钥加密算法。随着算法的使用，数据来源

认证可以通过对矢量地图的版权进行加密的所有权私钥来获得安全性。用户可以使用RSA公钥方便地验证地图的数据源。

采用数控计算的方法，通过相似试验对其性能进行了测量。该测试用于确定该技术在将版权插入矢量地图中是否成功。本研究的结果是客观测量的，而不是像一些现有的研究[17]，[18]，[28]那样基于感知。本研究的质量测量结果是基于数字水印的三个特点。它们是使用均方根误差(RMSE)计算的不可见性，使用最远距离计算的保真性，和归一化互相关(NC)，以及水印对几何攻击的鲁棒性，如平移、旋转和缩放[29]。

结果表明，本文所采用的方法能够成功地在矢量地图上嵌入版权作为水印。对实验结果的不可见性发现结果显示良好，由RMSE值生成的地图测试数据值:小于1或接近于零。地图的保真度也保持不变，通过在标准认为可接受的范围内的距离偏移和NC值来表示。水印对矢量地图结果的几何攻击的鲁棒性保持在攻击不直接影响水印位值或仍在指定的值提取范围内。

在本文的下一部分，我们将解释在本研究中开发的方法中使用的技术，然后详细说明实验结果和方法的性能分析。本文的最后一部分是结论。

2. 研究方法

2.1。快速傅里叶变换

快速傅里叶变换(FFT)是一种用于表示离散信号的算法

时域和频域。FFT通常用于快速有效地计算DFT的离散变换。采用FFT来降低DFT的复杂度。一般来说,

FFT公式可描述为式(1)或式(3)[30]。

H(K)为域变换值，H(n)为数字媒体块值，n为将被改变为频域的数据量。而对于FFT的逆公式则使用式(4)。

Re为该复数的实值，Im为该复数的虚值，h(n)为水印复序列值。

2.2 变换变换

在本研究中，将水印作为版权标记插入矢量地图

对变换域进行顶点坐标变换。对矢量地图数据的变换结果频率系数进行水印插入过程。为了将矢量图转换为域频信号，将矢量图坐标修改为复序列?吗?式(5)[2]。

Xk为矢量地图坐标的横坐标，yk为矢量地图的纵坐标

坐标。而使用的k是所提到的地图文件中所出现的坐标索引。用于水印插入的技术为公式(6)。

F 为水印的频率系数，F为初始频率系数，alpha;为

修改幅度，W为水印位。在(6)公式中，使用的alpha;越大，矢量地图文件的变化越大，但抗水印能力越强。本研究采用alpha;值为2，具有可接受的矢量图变化，且电阻值为[31]。

2.3。水印嵌入阶段

矢量地图数据的数字水印嵌入模型如图1所示。

在水印插入过程中，使用了三个输入。它们是矢量映射、作为水印插入的版权和RSA加密算法的私钥。插入过程的第一阶段是寻找向量映射上的坐标，该向量映射将保存为一个可以转换为域频率的列表。从每个特征的顶点得到一组坐标后，该坐标将转化为一个复杂序列。下一阶段是从版权标记文件读取或字节水印，并使用版权所有者的RSA私钥算法加密。

这种加密的目的是为数据源的真实性提供安全性，即保证数据源来自合法方。然后将水印加密结果转换为位集并保存为列表。在两个输入都准备好之后，下一个阶段是在不同的文件中执行复杂序列保存和延长字节水印。然后利用复杂序列提取非盲水印。下一步是将FFT变换为矢量映射文件，并在变换域的实际结果图上插入水印。而在插入完整的水印后，下一步是用iFFT恢复频域矢量图，使其恢复到原来的形状文件。

2.4。水印提取阶段

水印提取点与插入过程基本相同，只是步骤相反。在提取过程中，我们使用了三个插入过程的结果输入，如真实矢量地图文件的复序列、水印矢量地图和RSA算法公钥。您可以在图2中看到水印提取的各个阶段。

提取过程的第一阶段是从形状文件中寻找坐标

由水印组成的矢量映射，并将其保存在一个列表中，以便转换到频域。下一步是计算复序列和FFT，从shapefile文件中得到复图形。该列表由复杂数字与真实地图的偏差和水印地图的加密水印位值组成。然后，利用RSA公钥对初始水印进行解密，作为版权标记。当加密的水印使用正确的公钥和私钥集时，解密过程可以完成，因此我们可以确保版权来自合法方。

3.结果与讨论

3.1。实验结果

矢量图用作评价数据的是两种shapefile (.shp)文件类型的ESRI标准

由4008个顶点的点特征和7518个顶点的线特征构成。作为版权标记，我们使用了三个位图类型的图片文件，每个文件的度量分别是178字节(29 times; 29像素)、154字节(22 times; 23像素)和174字节(28 times; 28像素)。版权标记位的长度被限制为比矢量地图文件上的顶点数量小两倍。

通过数控计算对本研究开发的性能技术分析进行了测量。NC计算用于分析插入前的初始水印与提取的水印结果之间的相似性，其取值范围为0 ~ 1。NC值越高，两幅图像越相似，因此可以说明该水印使用技术的成功率越高。用式(7)计算NC结果，其中w为初始水印，? 为提取的水印结果，可见于表1。

表1.提取的水印与原始水印的相似度测试结果

从表1可以看出，在水印长度和内容相同的情况下，NC中整个评价数据结果为1。与初始水印之间的相似度值为1

水印提取结果表明，两种水印是一致的。水印可以从矢量地图文件中重新提取，它不会经过大小或内容的改变。因此，我们可以确认，该技术成功地插入版权作为水印

改变水印质量。

3.2。隐形的评估

不可见性测量采用两个参数作为参考分析计算

RMSE。在均方根误差(RMSE)测量中，计算地图文件起始位置与插值水印结果之间的失真。采用的RMSE公式基于式(8)[32]。

N表示顶点映射向量的个数，l(I,j)为坐标l(I,j)处早期映射的复序列值，l(I,j)为坐标l(I,j)处映射结果的复序列值

表2 原始地图与带水印地图之间的不可见性测试结果

表2显示，本研究中使用的所有数据分析得到的RMSE值都低于1，接近于零。本研究的结果与之前的类似研究[4]相比有了改善。因此，所使用的技术生成一个良好的RMSE数据分析输出值表明，几何扭曲比例尺的发生，由于版权标记在地图上，是非常低的。低失真表明，媒体插值中水印的存在很难被人类的感官检测到。

图3显示了用红点和紫点覆盖原始地图和相应的水印地图的结果。绿框表示两个地图顶点坐标的移位。从图中可以看出，水印嵌入过程造成的失真足够小，水印地图对原始地图中的地理空间信息保持了较高的精度。

3.3。保真度评价

数字水印保真度的概念定义为水印不能保真

被人类的感官检测，并没有显著降低媒体文件插值[31]的质量。除了均方根误差外，还将测量最远端的变化。最远的距离是由于矢量地图文件中的水印插值而发生的位置偏移。通过比较原始矢量地图文件与包含水印的矢量地图文件之间整个坐标的顶点，得到最远处的距离。最远的距离，然后转换成仪表使用量子软件GIS。根据地理调查日本研究所，可以容忍的变化等于75厘米上的实际大小[31]。

由表3可知，数据分析中最长位置可见偏移量为0.506 m times; 51 cm，即变化量不超过75cm。在这种情况下，将最远距离的计算结果应用到数据分析中就可以了仍保持矢量地图精度水平或保持数据精度水平。

表3 原始地图与带水印地图之间的保真度测试结果

3.4 鲁棒性评价

然后执行测试过程，以确定水印的鲁棒性水平，从技术开发，以应对已经准备的攻击。三种类型的几何攻击，即平移、旋转和缩放攻击。攻击以矢量图的形式应用于测试数据，这些矢量图具有空间特征，具有4008个顶点，这些顶点被插入了178字节(29 times; 29像素)的水印。使用量子GIS软件提供的特征对嵌入水印的测试矢量地图进行攻击。对水印提取结果执行NC计算，以确定由于这些攻击而发生的变化程度。另外，还对RSA实现作为数据源认证对水印鲁棒性水平的影响进行了测试。

平移攻击是通过移动测试数据上的一些坐标来改变一些顶点的位置。试验结果见表3。

表4 翻译攻击测试结果 旋转攻击是通过旋转-范围内的整个测试数据坐标来实现的0.01到0.009度。试验结果如表4所示。

缩放攻击是通过将测试地图的大小从1.0001扩大到1.0009。试验结果如表5所示。

在实现了这三种攻击后，所使用的技术并不总是能够在NC值等于1的情况下实现水印提取。未检测到水印的评估场景为40%。表4、5和6表明，对于改变水印位的攻击，这种技术将无法被提取。其中一个例子是平移攻击，它对顶点产生摩擦，导致插入的水印位值发生变化，无法提取水印。从表4的旋转攻击结果可以看出，如果位值变化达到1，则会导致水印提取失败。

因此，FFT算法能够将真实的水印值保持在一定的限制上，但是当FFT不能再维持攻击时，水印位值就会发生变化，无法再进行提取。我们可以说，这次水印提取失败是由于水印插入图结果有较大的失真造成的。影响失真值的一个因素是在水印插入过程中对失真值使用的限制。本研究采用-0.4 ~ 0.6的限制范围来确定水印值，从而可以精确地提取水印。限制值受修改幅度2的使用或FFT计算值中发生的积分的影响。

使用RSA非对称加密算法作为数据源认证服务，也会影响水印提取的成功。这是由相同的实现技术评估，但不使用RSA算法。从表a、V、VI中可以看出，NC值增加，说明水印的鲁棒性变好，水印提取的成功程度越来越高。使用RSA非对称密码算法降低了该技术的鲁棒性。本研究采用RSA非对称密码算法对java安全库进行认证。该算法对加密数据的变化非常敏感。当加密数据发生轻微变化时，该数据将无法进一步解密。因此，攻击后位发生任何变化都会导致水印数据提取失败。这就给了我们选择，是提高水印的鲁棒性还是

增加数据源认证。

虽然稳健水平相当低，但该技术能够保持

一些测试的水印可以在表4,5和Dan 6中看到。一些提取过程表明，提取的水印结果与原始水印完全相同，NC值为1。对攻击的鲁棒性是由于它引起了映射FFT计算的向量上的序列复数值的一些变化，该计算将针对每个FFT值展开。这将使变化发生的影响不大，而FFT值仍在水印提取值的限制范围内。在

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