任 娜，朱長青

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023)

一種瓦片地圖水印算法

任 娜，朱長青

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023)

首先分析了瓦片地圖的特征，并依據這些特征提出了相應的水印算法要求；然后在此基礎上提出了針對瓦片地圖特征的水印嵌入和檢測算法；最后對所提出的算法進行了試驗驗證。結果表明，該算法具有好的不可見性，能夠有效抵抗加噪、壓縮、拼接和格式轉換等的攻擊，可有效保護瓦片地圖的版權。

天地圖；瓦片地圖；水印；魯棒性

一、引 言

天地圖是國家地理信息公共服務平臺的公眾版，實現了測繪地理信息部門從離線提供地圖和數據到在線提供信息服務這一服務方式的根本性改變，在國內外引起極大反響[1]。天地圖建設者在大力豐富數據、不斷提升服務能力和水平的同時，面臨著一個非常嚴峻的問題，即數據的非法下載及使用問題日益嚴峻，嚴重損害了數據擁有者的利益，數據版權更是難以得到有效保障。數字水印技術能夠為瓦片地圖的版權保護、非法數據來源跟蹤等提供可靠的技術支撐[2-3]。

我國目前在柵格地圖水印研究方面已經取得了一些研究成果[4-8]。然而，專門針對瓦片地圖的水印研究尚少[9]。本文著重分析了瓦片地圖數據的特征及其對數字水印算法的要求，并基于此提出了瓦片地圖水印嵌入和檢測算法，有效保護了瓦片地圖的版權，保障了數據擁有者的合法權益。

二、瓦片地圖的特征分析及其水印算法要求

瓦片地圖與普通數字柵格地圖具有一些相同的特征，但是柵格地圖的大小往往并不固定，而每一張瓦片地圖的大小都是固定的。另外，瓦片地圖在抗攻擊性方面與柵格地圖有很大的區(qū)別。柵格地圖裁剪后仍具有較高的使用價值和商業(yè)價值，然而，單一的瓦片地圖往往并不具備實際應用價值。因此，研究瓦片地圖水印算法并不能照搬柵格地圖的水印算法，需要依據其數據特征來研究水印算法。

通過對瓦片地圖的分析，其特征和對水印算法的要求主要表現在以下幾個方面：

1)為了有效節(jié)省存儲空間，瓦片地圖常采用索引機制進行存儲，通常以PNG形式存儲。這種存儲方式還可以有透明通道，更有利于地圖的表達。

2)瓦片地圖的色彩度并不豐富，索引所用到的顏色數目非常有限，基本上保持在20～30種顏色范圍內。因此，瓦片地圖所能承載的水印信息量非常少。

3)瓦片地圖的大小統一，每張瓦片地圖的大小為128像素×128像素或256像素×256像素。因此，瓦片地圖水印算法可以按照數據大小更有針對性地研究。

4)瓦片地圖尤其是瓦片線化圖中高亮線的特征比較明顯，且空白區(qū)域也較多，也就是說瓦片地圖具有較高的亮度和較低的飽和度。因此，瓦片地圖水印算法可以有效利用該特征完成水印的嵌入。

5)在應用端往往根據瓦片地圖的命名規(guī)則進行加載，對于單一瓦片進行攻擊的可能性相對較少，幾乎不可能對單一的瓦片地圖進行裁剪或旋轉等攻擊。但是在進行水印算法設計時，仍需要考慮單一瓦片可能遭受的加噪、壓縮等不影響其使用的攻擊方式。

6)不法分子從網上下載瓦片地圖時，往往會根據自己的需要自定義瓦片的數據格式為PNG或JPG。因此，針對瓦片地圖的水印算法應該能夠有效抵抗格式轉換的攻擊。

由以上瓦片地圖的特征分析可知，瓦片地圖水印研究需要遵循其特有的數據特征和算法要求，其像素值或索引值中可隱藏信息的數據量非常少。因而，筆者考慮從瓦片地圖中富含的圖像特征中嵌入水印信息。

三、瓦片地圖水印嵌入和檢測算法

通過對瓦片地圖的特征分析及水印算法要求的研究，本文提出一種特征級的瓦片地圖水印嵌入和檢測算法。非盲水印的瓦片數據在實際應用中是完全不現實的，本文的水印算法屬于盲水印算法。

1.水印信息生成和水印嵌入算法

算法的具體步驟如下：

1)采用偽隨機序列，將待嵌入的水印信息或密鑰生成相對應的二值水印序列 W＝[w0w1…wL－1]，W＝G( key)。其中，L為水印序列的長度，w＝{ 1，－1}，G表示水印信息生成算法，key表示密鑰集合。

2)對瓦片地圖進行二層小波變換(DWT)，取其低頻子帶。

3)對低頻子帶進行均勻的8×8分塊，得到互不重疊的塊。由于瓦片地圖具有較高亮度和較低飽和度，因此，各個分塊低頻值的均值是瓦片地圖的一個重要特征值，具有較強的不變性。計算當前分塊和其相鄰分塊的低頻均值，分別記為avem、avem＋1。

4)通過avem和avem＋1的關系構建映射函數，確定水印嵌入位，即構建函數如下

5)對于特定的低頻塊，根據映射函數所對應的水印位，采用基于量化的水印嵌入規(guī)則將水印信息嵌入到對應的低頻塊中，具體的嵌入規(guī)則如下

式中，round為四舍五入函數；δ為量化步長；Index＝{0，1，2，…，L－1}。

2.水印檢測算法

水印檢測算法是水印嵌入的逆過程。使用與嵌入算法相同的映射函數和量化步長，采用的水印檢測規(guī)則如下

式中，mod(·，5)為模5的函數。采用多數原則對檢測到的水印信息進行確認。

水印檢測中往往會發(fā)生虛警檢測，即在未嵌入水印的數據中檢測出水印信息。為了能夠降低虛警檢測概率，需要對原始水印信息和檢測到的水印信息進行相關性比較，當匹配的相關系數大于設定的閾值時，認為待檢測的數據中含有相應的水印信息。為了客觀評價提取水印與原始水印的相似程度，采用以下相似度計算公式

四、試驗與分析

下面通過試驗對本文的水印算法進行性能分析。兩張試驗的瓦片地圖分別采用PNG和JPG格式存儲，地圖中不包括注記層，大小為256像素× 256像素，如圖1所示。

圖1 原始瓦片地圖

1.透明性

圖2為原始瓦片地圖嵌入水印后對應的效果圖。

圖2 嵌入水印后的瓦片地圖

為了更好地說明本文算法的不可見性，采用嵌入前后數據的峰值信噪比(PSNR)來進行衡量，計算公式如下

式中，M×M為瓦片地圖的大?。籌為原始的瓦片地圖；I′為嵌入水印后的瓦片地圖。

表1給出了嵌入前后數據的峰值信噪比和水印信息的相關系數。

表1 嵌入前后數據的PSNR

從主觀視覺上很難看出嵌入水印前后瓦片地圖的差異。從客觀指標上看，兩幅瓦片地圖嵌入前后的PSNR都比較高。在不進行任何攻擊的情況下，提取的水印信息的相關系數均為1.0。由此可見，本文算法具有好的不可見性。

2.魯棒性

對嵌入水印后的瓦片數據進行了加噪、壓縮和拼接攻擊。拼接分為兩種情況，包括嵌入2幅都含水印的瓦片的拼接，以及嵌入水印后瓦片與未嵌入水印后瓦片的拼接。本文中，檢測成功的相關系數閾值設定為0.5。試驗結果見表2。

表2 攻擊試驗結果

從表2的數據可以看出，在對單一瓦片地圖進行加噪、壓縮等攻擊后，水印檢測的相關系數都高于檢測閾值0.5，表明檢測成功。拼接攻擊中，設計了兩幅都含有水印的瓦片進行拼接，或是其中有一幅數據含有水印信息，均能夠檢測成功。這是因為只要其中一塊瓦片地圖中能夠檢測到水印信息，就可以順利地從拼接后的地圖中檢測到水印。瓦片地圖一般以PNG和JPG兩種格式進行存儲，在將兩種數據格式進行轉換后，水印檢測的相關系數均高于0.9，表明本文算法可以有效抵抗格式攻擊。由此可見，本文提出的算法具有較好的魯棒性。

五、結束語

本文針對瓦片地圖水印的特征，提出了一種基于特征級的瓦片地圖水印算法。試驗結果表明，該算法具有好的透明性和魯棒性，能夠有效滿足瓦片地圖的版權保護需求。本文提出的算法對于數字水印在天地圖網站中的應用及瓦片地圖的安全保護等都具有重要作用。

[1] 李志剛，蔣捷，翟永，等.面向分布式服務聚合的“天地圖”總體技術架構[J].測繪地理信息，2012，37 (5)：13-15.

[2] 朱長青，楊成松，任娜.論數字水印技術在地理空間數據安全中的應用[J].測繪通報，2010(10)：1-3.

[3] 彭煜瑋，岳名亮，汪傳建.基于MapReduce的高效地理數據水印方法[J].華中科技大學學報：自然科學版，2012，40(1)：179-182.

[4] 王勛，朱夏君，鮑虎軍.一種互補的數字柵格地圖水印算法[J].浙江大學學報：工學版，2006，40(6)：1056-1059.

[5] 符浩軍，朱長青.基于小波變換的數字柵格地圖復合式水印算法[J].測繪學報，2011，40(3)：397-400.

[6] 朱長青，符浩軍，楊成松，等.基于整數小波變換的數字柵格地圖數字水印算法[J].武漢大學學報：信息科學版，2009，34(5)：619-621.

[7] 符浩軍，朱長青，徐惠寧.基于小波變換的柵格數字地圖水印算法[J].測繪科學，2009，34(3)：107-108.

[8] 王志偉，朱長青，王奇勝，等.一種基于HVS和DFT的柵格地圖自適應數字水印算法[J].武漢大學學報：信息科學版，2011，36(3)：351-354.

[9] 任娜，朱長青.一種抗拼接的瓦片遙感數據水印算法[J].測繪通報，2012(S1)：491-493.

A Watermarking Algorithm for Tile Map

REN Na，ZHU Changqing

P288

B

0494-0911(2014)12-0060-03

任娜，朱長青.一種瓦片地圖水印算法[J].測繪通報，2014(12)：60-62.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0398

2014-06-02

國家自然科學基金(41301413)；江蘇省自然科學基金(BK20130903)；江蘇省高校自然科學研究(12KJB420002)；測繪遙感信息工程國家重點實驗室資助(12I02)

任 娜(1981—)，女，山東萊西人，博士，講師，主要研究方向為空間數據安全。