兼顾水印总长度及自纠错能力的混合水印信息构造方法与流程

1.本发明属于信息安全领域，具体涉及一种兼顾水印总长度及自纠错能力的混合水印信息构造方法。


背景技术：

2.作为数字产品的一种，矢量地图极容易复制、篡改以及传播，对信息共享、版权保护乃至国家安全都造成了极大的威胁。近年来，数字水印技术被视为矢量地图版权保护的最有力手段之一。但是，已有研究主要通过优化水印嵌入位置及嵌入方法提升水印算法的嵌入容量、隐蔽性及稳健性，而水印检测过程通常仅为水印嵌入的逆过程，缺乏有效的水印提取结果自优化方法，版权水印检测的精度还有很大提升空间，导致数字水印技术在矢量地图的安全保护中的应用还存在很大的局限性。因此，迫切需要引入新的研究思路与方法，从水印提取结果自优化的角度，研究提升矢量地图版权水印检测精度的新途径。
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技术实现要素：

19.本发明的目的在于提供兼顾水印总长度及自纠错能力的混合水印信息构造方法。
20.为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
21.一种兼顾水印总长度及自纠错能力的混合水印信息构造方法，包括：
22.将原始版权信息中所有码值按行列顺序转换为二维二值序列，获得版权水印信息；
23.分别对版权水印信息中行、列方向相邻码值做异或运算，行/列的最后一个码值和对应行/列的第一个码值做异或运算，生成版权水印信息的行向纠错码和列向纠错码；
24.将所述行向纠错码和列向纠错码以列为顺序进行分组，并对各组分别进行奇/偶校验编码和循环冗余校验编码，获得的奇/偶校验码和循环冗余校验码共同组成校验码；
25.将版权水印信息、纠错码及校验码中的二值水印信息转换为符号序列；
26.基于无损数据压缩编码方法对获取的符号序列进行压缩，构造混合水印信息。
27.作为本发明的进一步改进，所述校验码的生成方式为：
28.对每个码值组内的内容生成一位奇/偶校验位，并将其与码值组内原始内容合并作为该码值组的奇/偶校验编码结果；
29.约束生成多项式，对各码值组奇/偶校验编码的结果进行循环冗余校验编码；
30.将各码值组的循环冗余校验编码结果合并，生成校验码。本发明针对纠错码进行双重差错控制，首先保证纠错码的正确，然后利用正确的纠错码去对原始水印数据进行质量控制，进一步提升了水印数据的抗干扰能力。
31.作为本发明的进一步改进，所述二值水印信息转换为符号序列的过程包括：
32.将二值水印信息以3位作为一个码值单元，形成码值单元序列；
33.建立码值单元和符号映射表；
34.将每个码值单元基于映射表替换为对应的符号，形成符号序列。以3位作为一个码值单元进行映射，每个单元的取值共有8种，方便水印的嵌入，平衡了水印压缩率和水印的
可嵌 入性。
35.进一步的，所述符号为任意占用字节数相同的符号。符号序列可以是任意占用字节数相 同的符号，以起到压缩的作用，可以是任意字母(不分大小写)、标点符号等。
36.作为本发明的进一步改进，基于霍夫曼编码对获取的符号序列进行编码，并将编码结果 作为混合水印信息的构造结果。
37.作为本发明的进一步改进，所述方法还包括水印检测：对构造的构造混合水印信息进行 解压缩并基于纠错编码与校验编码的逆过程进行水印信息自纠错。
38.作为本发明的进一步改进，所述水印检测过程包括：
39.根据混合水印构造的逆过程将水印提取结果进行逆编码，获得版权水印信息、行向纠错 码、列项纠错码、循环冗余校验码和奇/偶校验码的提取结果；
40.对纠错码值进行分组，并以码值组为单位进行差错校验：先基于奇/偶校验码对组内的纠 错码值进行质量评价，筛选出“可信”的码值；之后依据组内的纠错码值及循环冗余校验码 除以生成多项式所得的余数，并结合纠错码质量评价结果，侦测组内纠错码值中误码的位置 并对其进行纠正；
41.基于纠错码中的“可信”码值对提取的版权水印值进行“可信”码值筛选，并进行误码 纠正。
42.进一步的，所述纠错码中“可信”码值的确认方式为：
43.a.采用循环冗余校验编码过程中约定的多项式去除提取的码值，若余数不为0，则可判断 该组的码值存在误码，否则为“初步可信”码值；
44.b.以列为单位对“初步可信”的纠错码值进一步进行“可信”评价，根据奇/偶校验位数 值判断每一列元素中“1”的个数是否正确，正确则将该列所有码值标记为“最终可信”，否 则为“不可信”。
45.进一步的，基于纠错码中的“可信”码值对提取的版权水印值进行“可信”码值筛选的 方式为：
46.按照生成纠错码的过程，对版权水印提取结果中的任一码值与行、列方向相邻码值做异 或运算，如果计算得到的数值与行向/列向纠错码中对应码值数值相同，且对应的行向/列向纠 错码的码值为“可信”码值，则该码值为“可信”码值，否则为误码。
47.进一步的，所述对版权水印提取结果误码纠正的方式如下：
48.假设w0′
为版权水印提取结果，w1′
、w2′
分别为版权水印纠错码提取结果中的行向、列向 纠错码值；
49.从版权水印信息中选择一个“可信”码值w0′
(l,m)，并作如下判断：
50.若w0′
(l,m 1)不可信且w1′
(l,m)可信，令并将重新 赋值后的w0′
(l,m 1)标记为“可信”码值；
51.若w0′
(l 1,m)不可信且w2′
(l,m)可信，令并将重新 赋值后的w0′
(l 1,m)标记为“可信”码值；
52.重复直至w0′
中所有“可信”码值处理完毕。
53.本发明考虑了纠错码会受到载体数据变换/攻击的干扰，导致纠错码提取结果中存在误码 的问题，基于奇/偶校验与循环冗余校验方法对版权水印的纠错码进行校验编
码，在水印检测 阶段，使用校验码判断纠错码的正确性，以支持水印检测阶段对纠错码提取结果进行“可信 度”评价，解决因少量纠错码值出错导致版权水印纠错效果下降的问题，并可以利用水印提 取结果中的纠错码和校验码对版权水印提取结果进行误码检测与纠正，从水印自纠错的角度 进一步降低版权水印提取结果的误码率、提升版权水印检测精度。在已有数字水印检测方法 的基础上，从水印信息差错自检测与控制的视角，为数字水印高精度检测提供了新的思路； 同时，该方法可以有效约束水印信息的长度，解决了因版权水印纠错码和校验码的引入而导 致的水印总长度增加、水印嵌入效果差、水印算法稳健性弱等问题。
54.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构 思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题 的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
55.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和 特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显 见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
56.附图不宜在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分 可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在， 将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
57.图1是本发明方法流程图。
58.图2是版权水印纠错编码结果：(a)所示为原始版权水印信息，(b)所示为(a)的行向 纠错码，(c)所示为(a)的列向纠错码。
59.图3是版权水印纠错码的偶校验编码结果：(a)所示为附图2(b)的偶校验编码结果，(b) 所示为附图2(c)的偶校验编码结果。
60.图4是版权水印纠错码的双重校验编码结果：(a)所示为附图3(a)的循环冗余编码结 果，(b)所示为附图3(b)的循环冗余编码结果。
61.图5所示为根据表3中内容的霍夫曼树构建结果。
62.图6所示为对本发明中方法的自纠错能力测试结果。
63.图7所示为本发明和现有水印构造方法自纠错能力对比结果。
64.前述附图1
‑
7中，作为英文形式表达的各坐标、标识或其他表示，均为本领域所公知的， 并不在本例中再做赘述。
具体实施方式
65.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
66.在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开 的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以 及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为 本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单 独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
67.实施例1
68.本实施例说明本发明的测试方式和结果。
69.本实施例以具体的版权水印图像为例，阐述混合水印的构造方法。
70.作为示例性的描述，下面结合附图所示，对前述方法的实施进行具体说明。
71.步骤1：按行列顺序，将原始版权信息转换为二维二值序列(原始版权水印信息)，并分 别基于行、列方向相邻码值异或运算，每个行/列的最后一个码值和对应行/列的第一个码值做 异或运算，生成版权水印信息的行向纠错码和列向纠错码，如图2所示。
72.步骤2：对步骤1中生成的版权水印信息的纠错码(如图2(b)
‑
(c)所示)，以列为顺 序进行分组，并对各组分别进行奇/偶校验编码，为各码值组生成一个校验位(“0”或“1”)， 使得各码值组内元素中“1”的数量为奇数(或偶数)。
73.本实施例中采用偶校验，偶校验编码结果如图3所示。
74.进一步，对各码值组的奇/偶校验编码结果进行循环冗余编码(约定的生成多项式为： g(x)＝x4 x 1)，生成版权水印纠错码的双重校验编码，结果如图4所示。
75.步骤3：将原始版权水印信息、纠错码、校验码中的码值合并，并按行列顺序组织为一 维二值数组，并对获取的数组进行符号序列映射，映射关系如表1所示：
76.表1
77.码值单元000001010100011101110111符号abcdefgh
78.映射结果如下：
[0079]“eedgcbhefcfgdgdchcfcfgdcdbfgdcecagafbhcggfeacdbabe”[0080]
进一步，基于获取的符号序列，统计各符号出现的频率，如表2所示：
[0081]
表2
[0082]
符号abcdefgh频率451076783
[0083]
然后，基于各符号出现的频率构建霍夫曼树，如图5所示。
[0084]
基于构建的霍夫曼树，建立霍夫曼码表，如表3所示：
[0085]
表3
[0086]
码元权值霍夫曼编码码长a400014b51003c10112d70103e61013f70113g80013h300004
[0087]
最后，用各码元的霍夫曼编码结果代替原始符号值，生成混合水印信息，如下：
ꢀ“
101101010001111000000101011110110010100010101100001101111011001010110101000
1100 10101110111000100100010111000000110010010111010001110101000001100101”。
[0088]
实施例2
[0089]
本实施例具体说明水印误码自检测与纠正的方法，如下：
[0090]
步骤1：水印提取结果解压缩：
[0091]
根据混合水印构造的逆过程，依据表1中的对应关系，将水印提取结果进行逆编码，并 将混合水印提取结果分离成为版权水印信息提取结果、行向纠错码提取结果、列项纠错码提 取结果、循环冗余校验码提取结果和偶校验码提取结果；
[0092]
步骤2：纠错码提取结果差错校验：对纠错码值进行分组，并以码值组为单位进行差错 校验，步骤如下：
[0093]
a.先采用循环冗余校验编码过程中约定的多项式去除提取的码值，若余数不为0，则可 判断该组的码值存在误码，否则为“初步可信”码值；
[0094]
b.以列为单位对“初步可信”的纠错码值进一步进行“可信”评价，根据偶校验位的数 值判断每一列元素中“1”的个数是否正确，正确则将该列所有码值标记为“最终可信”，否 则为“不可信”；
[0095]
c.结合纠错码质量评价结果，侦测组内纠错码值中误码(即“不可信”的码值)的位置 并对其进行纠正；
[0096]
步骤3：版权水印提取结果质量评价：基于纠错码中的“可信”码值对提取的版权水印 值进行“可信”码值筛选；假设w0′
为版权水印提取结果，w1′
、w2′
分别为版权水印纠错码提 取结果中的行向、列向纠错码值，对于w0′
中任一元素w0′
(i,j)，若式(1)中条件成立，可 视其为“可信”码值(表示异或运算)，否则视其为误码。
[0097][0098]
步骤4：版权水印提取结果误码纠正：
[0099]
i)从w0′
中选择一个“可信”码值w0′
(l,m)，并作如下判断：
[0100]
若w0′
(l,m 1)不可信且w1′
(l,m)可信，令并将重新 赋值后的w0′
(l,m 1)标记为“可信”码值；
[0101]
若w0′
(l 1,m)不可信且w2′
(l,m)可信，令并将重新 赋值后的w0′
(l 1,m)标记为“可信”码值；
[0102]
ii)重复i，直至w0′
中所有“可信”码值处理完毕。
[0103]
实施例3
[0104]
本实施例具体说明对混合水印的测试结果。
[0105]
对构造的混合水印信息进行不同强度的随机噪声攻击；对随机噪声攻击后的混合水印信 息进行版权水印检测：基于检测结果评价所发明的混合水印构造方法的综合性能，结果如图 6所示。可以看出，本发明的方法构建的水印具备较强的自纠错能力。
[0106]
实施例4
[0107]
本实施例具体说明本发明方法与已有方法的纠错能力对比测试结果。
[0108]
利用相同的原始版权水印数据，分别基于本发明的方法和传统的方法(设置纠错
码但未 进行版权水印纠错码的双重校验)构造混合水印信息；分别利用随机噪声攻击两份不同的混 合水印信息，在相同的噪声攻击强度下，基于自纠错后的版权水印数据中的误码数量进行两 类方法的纠错性能对比，结果如图7所示。显然，在相同的噪声攻击强度下，与传统方法相 比，本发明的方法具有更强的自纠错能力。
[0109]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域 中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。