一种运用DCT感知哈希矢量地理空间数据内容认证方法与流程

本发明属于地图学与地理信息系统技术领域，涉及一种运用dct感知哈希对矢量地理空间数据内容认证的方法。

背景技术：

矢量地理空间数据是一种十分重要的信息资源，在交通，环境，生态，商业和军事等各个领域得到了广泛的应用。但是由于矢量地理空间数据易于复制和传播，所以其数据的同一性认证难以实现。

在矢量地理空间数据数据认证研究中，通常有基于统计的、基于图像粗略表示的与基于小波变换提取突变点等认证方法。这些方法对矢量地理空间数据的几何变换敏感、不能抵抗投影变换或坐标系变换的攻击，针对矢量地理空间数据特有的顶点攻击鲁棒性差、算法复杂度高等缺陷。

感知哈希算法是一种图像指纹生成算法，它可以用于图像的识别、认证与变化检测等领域。运用感知哈希算法可以高效地对图像内容同一性进行判断，对数据内容识别、检索、认证等信息服务方式提供安全可靠的技术支撑，在图像领域应用广泛。

dct离散余弦变换是一种实数域变换的压缩编码方法，其变换核为实数的余弦函数。变换之后有关图像的重要的可视信息都集中在dct变换的一部分系数中。基于dct离散余弦变换可以实现重要内容信息的表达。

本发明结合感知哈希方法与dct离散余弦变换方法的优势，提出了一种结合运用dct实现的感知哈希方法，实现对矢量地理空间数据内容的认证。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对现有的矢量地理空间数据认证方法的不足，提出数据指纹的概念，指将原始地理空间数据提取为一段关键性内容摘要，并对摘要进行编码；数据内容认证是将原始数据的数据指纹与可疑数据的指纹进行比对的过程，运用计算汉明距离方法，计算出原始数据数据指纹与可疑数据指纹的汉明距离，根据汉明距离来度量二者的差异化程度，若汉明距离小于一个阈值，则判定为同一数据，否之则为不同数据。方法可以有效提取地图特征信息，可有效抵抗数据删除、数据平移和旋转等几何变换、噪声攻击及重投影攻击等，具有鲁棒性高、安全可靠及实用性高的矢量地理空间数据内容认证方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种运用dct感知哈希矢量地理空间数据内容认证方法，包括：本数据指纹生成和数据内容认证两部分；

1、数据指纹生成步骤如下：

s1：矢量地理空间数据栅格化，将矢量地理空间数据所有坐标点映射绘制成512×512大小的黑白图像，无数据点的像素用255标识，有数据点的像素用0标识；

s2：dct变换，对前一步生成的栅格图像实施dct变换；

s3：计算特征值并量化，对大于或等于dct变换系数平均值的dct系数记为1，对小于dct变换系数平均值的系数记为0；

s4：按照zig-zag方法，从左上到右下提取前2048位量化后的系数，并用16进制编码，即为该地理空间数据的数据指纹；

2、数据内容认证步骤如下：

s5：运用步骤s1计算出可疑数据的数据指纹；

s6：计算出可疑数据指纹与原始数据指纹的汉明距离；

s7：判断汉明距离与给定阈值的关系，得出结论；

s8：结束

本发明方法先进、科学，保证指纹信息的有效提取，鲁棒性好，能够保证在多数据进行多种变换操作后仍能对数据内容进行很好的识别认证。通过实验表明，该方法对矢量地理空间数据的增删点操作、数据对象顺序置乱和裁剪等攻击具有较好的鲁棒性，具有较好的使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的运用dct感知哈希生成矢量地图数据指纹的流程图；

图2为本发明提供的矢量地图数据内容认证流程图；

图3为本发明提供的试验用数据可视化图，其数据指纹码为1723c442e24e2a98408f74b39574e9beaf26878f8b24cb943a97643882b9a4ac64134a5d9ab507958914a17e585ad137826cb61bfdc34eb24d77e92b9fdd8c3c225d38fcd941c0d623af080511e7f57cddebbbbf1d6f4ac3369b69de729c929a5e22a43844e647b320c3a93d4f953e95d6f5e8ec95ea6149a7cd5a2e8d94b7c7199b23eeeab6bccc237c4a703c3380b402b5b94077a85eda44374a24bc8cbb3670d021f3cc2e4fa1277237cf1b25d491399ec3efd6d37161ac87ac83c64b267864142d7f5652cc31bba86c6dc768e91213e3eb57e9ff1844858d9902b438231e1b6cf82f3eb84a5d5fcccc25156a3ab882954999；

图4为平移攻击测试，对试验数据在x，y方向各平移10个单位后，其数据指纹编码为：1723c442e24e2a98408f74b39574e9beaf26878f8b24cb943a97643882b9a4ac64134a5d9ab507958914a17e585ad137826cb61bfdc34eb24d77e92b9fdd8c3c225d38fcd941c0d623af080511e7f57cddebbbbf1d6f4ac3369b69de729c929a5e22a43844e647b320c3a93d4f953e95d6f5e8ec95ea6149a7cd5a2e8d94b7c7199b23eeeab6bccc237c4a703c3380b402b5b94077a85eda44374a24bc8cbb3670d021f3cc2e4fa1277237cf1b25d491399ec3efd6d37161ac87ac83c64b267864142d7f5652cc31bba86c6dc768e91213e3eb57e9ff1844858d9902b438231e1b6cf82f3eb84a5d5fcccc25156a3ab882954999e2；

图5为旋转攻击测试，对试验数据以平面坐标原点为起点，顺时针方向旋转5度其数据指纹编码为：1723c442e246aa98408f74b39574e9beaf26868f8b24c9943a9f643c82b9a4ac74394a5d9af78f9d9b34e15e587a513786cb31bfdc76eb24537e8ab9fdd882c325d18fed8c1c0f623af088411e7f77cff6b9f9f29eb4ad3669368c6729c129a5e6a41844e27b3203ab3f4f833e95f2f5f8ee95ea614daf5d5bae5d4c6c9199aa3ebebb68be4c2359d2a603c3681f02a85bd6477e87d1da54165234bcaf4bb58670b063f16c8a6fa02532358a1725c48139dee2a6d2d3763a86aa83965b3e7824d62d7f5a9acc71b7a9ece9c9a8e9121369cf77cbfd3845a509990296982b4f1f0cea2e2eb85a25d5f1cbd25157b2abc87d2d48b9c2；

图6为旋转与平移相结合的攻击，对试验数据进行旋转5度，并在x,y方向分别平移5个单位后，数据指纹编码为：1723c442e246aa98408f74b39574e9beaf26868f8b24c9943a9f643c82b9a4ac74394a5d9af78f9d9b34e15e587a513786cb31bfdc76eb24537e8ab9fdd882c325d18fed8c1c0f623af088411e7f77cff6b9f9f29eb4ad3669368c6729c129a5e6a41844e27b3203ab3f4f833e95f2f5f8ee95ea614daf5d5bae5d4c6c9199aa3ebebb68be4c2359d2a603c3681f02a85bd6477e87d1da54165234bcaf4bb58670b063f16c8a6fa02532358a1725c48139dee2a6d2d3763a86aa83965b3e7824d62d7f5a9acc71b7a9ece9c9a8e9121369cf77cbfd3845a509990296982b4f1f0cea2e2eb85a25d5f1cbd25157b2abc87d2d48b9c2。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种运用dct感知哈希矢量地理空间数据内容认证方法，包括：

1、指纹的生成

step1.读取矢量地理空间数据所有坐标点数据，把所有坐标点映射到512×512像素范围大小的图像：建立所有坐标点集合v，v＝{vi(xi,yi),i＝{1,2,…,num}}，v所有定点坐标的集合，vi(xi,yi)为单个坐标点，xi为x方向坐标值，yi为y方向坐标值，num为坐标点的总数目；

step2.建立一个所有像素值为255的图像img(m×n)，img为生成的图像，m＝512，n＝512；

step3.映射每一个坐标点到图像img上的一个像素，vi(xi,yi)与img(m,n)通过如下函数建立映射关系：

(m,n)为vi在img图像中的行列号，(xi,yi)为顶点vi的坐标值，maxx，minx分别为顶点集合中x方向的最大值与最小值，maxy，miny分别为顶点集合中y方向的最大值与最小值，计算出m,n的结果范围在1～512；

step4.每一个vi一定能够映射到img上的一个像素，通过上步计算出的(m，n)，设置img(m，n)＝0；

step5.对img图像实施dct变换，c＝dct2(img)，dct2为2维dct变换方法，c为变换后的系数矩阵；

step6.计算特征值并量化：t＝f(c)，c为img实施dct变换后的系数，cmean为c的平均值，t记为特征值；

step7.获取数据指纹：按照zig-zag方法，从左上到右下提取前2048位量化后的系数，并用16进制编码，即为该地理空间数据的数据指纹：

内容的认证

step8.运用“指纹生成”方法生成可疑数据的指纹fp；

step9.在矢量地图数据库中，搜索出与fp最为相似的数据指纹fs；

step10.计算fp与fs的汉明距离，计算方法如下：

distanee＝∑xnor(fp，fs)，xnor()为逻辑运算的同或函数，用于计算两个指纹的相同位值是否相同；

step11.认证结果确定，为判定阈值。

综上所述，本发明有效解决了矢量空间数据的数据内容认证问题，该方法对矢量地理空间数据的增删点操作、数据对象顺序置乱和裁剪等攻击具有较好的鲁棒性，运用dct感知哈希方法及zig-zag算子提取数据指纹方法，对内容相同数据鲁棒性高，该方法可用于矢量地理空间数据的篡改识别与内容认证，也可用于矢量空间数据的快速查询与搜索，具有较好的实用价值。