一种高保真半脆弱二维矢量图可逆水印的制作方法

1.本发明涉及一种数字水印技术领域，尤其是指针对二维矢量图嵌入水印 和提取水印的技术。


背景技术：

2.随着信息技术的高速发展，人们在网络上能够快捷、方便地传输、共享 和发布音频、视频、文本、图形图像等多媒体内容。与此同时，网络上的数 字作品被随意的复制、传播甚至是恶意篡改，这严重的侵犯了作品原创者的 经济利益。众所周知，加密技术作为信息安全的基石早已经成为了主流的信 息安全技术并得到广泛的应用。但是，一旦数据遭到解密其安全性便无法得 到保障。由此，常常导致数字作品被非法拷贝和非法传播。此外，杂乱无章 的密文数据很可能引起攻击者的注意，激起其破译的热情。这些也成为运用 加密方法来保护作品版权或完整性的安全缺陷。作为对加密技术安全缺陷的 补充，数字水印技术在多媒体作品的版权保护与完整性认证方面得到迅速发 展。
3.数字水印技术能在人不察觉的情况下，将要用于认证的信息嵌入到载体 中，成本较低，是目前版权保护与完整性认证的一种较为有效的手段。传统 的数字水印是非可逆的，在水印嵌入后会永久的破坏原始载体，因此在一些 对载体真实性和完整性要求很高的应用场景这是不可接受的。因此，现有研 究大多以可逆水印为主。可逆水印在水印提取后能将载体无损恢复为原始载 体，不影响原始载体的可用性。可逆水印根据其特性可以分为鲁棒水印、脆 弱水印和半脆弱水印。鲁棒水印一般用于版权保护等应用场景，其主要关心 的问题是水印信息在复杂攻击环境中的生存能力。相反，脆弱水印对载体变 化相当敏感，载体内容发生改变时，水印信息会发生相应的改变，从而可鉴 定数据是否完整。而半脆弱水印介于鲁棒水印与脆弱水印之间，对于一些常 见的合法操作能够做到鲁棒特性，而对于一些不被允许的恶意操作则具有脆 弱水印的敏感性。
4.近年来，计算机辅助设计已经变得非常成熟与普及，二维矢量图在建筑 行业、机械行业以及服装业等诸多领域中得到了广泛应用。二维矢量图不同 于栅格图像，一般指用计算机绘制的图形，如直线、多段线、圆、圆弧等， 它基于计算机图形学，采用参数化的矢量表示，由于矢量图形在文件中记录 了生成图形的方法和图形上的某些特点，因此矢量图形对象可任意缩放不会 失真。二维矢量图作为一种重要的制造数据，其知识产权保护与内容完整性 认证极其重要。例如，为了保证矢量图纸、军事地图等机要文件在实施前保 证文件内容不被有意或无意的篡改。此外，由于现有的一些面向二维矢量图 的可逆水印方法研究大都是在空域或频域对图形的顶点数据进行操作，这相 当于对图形顶点进行了扰动，在一些高精尖的行业中有可能会引发不可预计 的损失甚至是事故。因此，设计一种高保真半脆弱二维矢量图可逆水印方法 具有重要的应用价值。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：提供一种高保真半脆弱二维矢量图可逆水 印方法，
本发明所提方法属于半脆弱可逆水印方法，其含水印载体、恢复载 体相对于原始载体来说具有高的保真性。
6.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案在于：一种高保真半脆弱二 维矢量图可逆水印方法，其包括水印嵌入过程和水印提取与图形恢复过程， 其中，水印嵌入过程的步骤如下：
7.步骤11：按顺序提取二维矢量图形g的实体颜色，得到实体颜色序列c；
8.步骤12：假定原始水印比特序列为w，利用流加密方法与水印密钥对原 始水印比特序列w进行加密，得到加密的水印信息w
e
；
9.步骤13：对于实体颜色序列c中的任一个值，都进行水印嵌入；
10.步骤14：把水印嵌入后的实体颜色序列c
w
还原到图形中，得到含水印的 二维矢量图形g
w
；
11.所述水印提取与图形恢复过程的步骤如下：
12.步骤21：提取含水印的二维矢量图g
′
w
的实体颜色，得到实体颜色序列c
′
w
；
13.步骤22：遍历实体颜色序列c
′
w
，记录实体颜色序列c
′
w
中出现的值，对 其进行递增排序得到有序集合；
14.步骤23：利用所述有序集合对实体颜色序列c
′
w
进行水印信息提取，同时 根据提取的水印信息进行载体恢复，待到实体颜色序列c
′
w
中所有颜色值都 提取与恢复完毕。
15.步骤24：随后利用水印密钥对提取的水印信息进行解密，得到提取的水 印比特序列w
′
；
16.步骤25：把还原后的实体颜色序列c
′
还原到图形中，得到恢复的二维矢 量图g
′
。
17.进一步，所述实体颜色序列c＝{c1,c2,
···
,c
3n
},其中n为实体的个数， c
3i
‑2,c
3i
‑1,c
3i
是第i(1≤i≤n)个实体的rgb颜色值。
18.进一步：步骤13中，水印嵌入的公式为：
[0019][0020][0021]
其中，c
j
为实体颜色序列c中第j个颜色值，w为水印比特。
[0022]
进一步：步骤21：实体颜色序列其中m为实体的个数， 是第i(1≤i≤m)个实体的rgb颜色值。
[0023]
进一步：有序集合y＝{y1,...,y
i
,y
i+1
,...,y
q
}为实体颜色序列c
′
w
中出现的值对 其进行递增排序得到；其中：y
i
＜y
i+1
，i∈{1,2,...,q
‑
1}；y
i
代表有序集合y中 第i个值，q为有序集合y中元素的总数。
[0024]
进一步：所述水印信息提取公式：
[0025]
设
[0026][0027]
其中，c
i
′
w
为含水印实体颜色序列c
′
w
中第i个颜色值；y
j
为有序集合y中第 j个值。同时根据提取的水印信息进行载体恢复：
[0028][0029]
待到所有满足条件的颜色值都提取与恢复完毕。
[0030]
本发明的技术效果在于：本发明可逆水印方法属于半脆弱可逆水印方法， 其含水印载体、恢复载体相对于原始载体来说具有高的保真性。
[0031]
本发明的可逆水印方法不仅具有较高的容量和较好的不可见性，而且能 有效抵御旋转、平移、缩放(rst)等攻击，并且对恶意攻击(例如增加、 删除实体等)保持敏感。可以用于把秘密认证信息嵌入到载体中以实现内容 完整性认证、秘密信息传递等场景。
附图说明
[0032]
图1为三幅实验样图的实验效果图；其中，(a)
‑
(c)为三幅原始图形的样图； (d)
‑
(f)为图形嵌入水印后的效果图；(g)
‑
(i)为三幅图形在恢复后的实验效果 图。
[0033]
图2为图1中实验样本g1，g2，g3的rgb颜色值统计直方图；其中， (a)为g1的rgb颜色值直方图，(b)为g2的rgb颜色值直方图，(c)为g3 的rgb颜色值直方图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术 人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的 限定。
[0035]
为了高的保真效果，研究发现在某一特定的背景亮度下，人眼所能感知 到的最小亮度差，被称为该亮度级下的亮度敏感度。weber定理指出，亮度 敏感度和背景亮度的比值近似为一个常数。均匀背景i具有的亮度敏感度为：
[0036]
δi＝0.02
×
i；
[0037]
其中，亮度敏感度δi是i的函数。这说明在均匀背景下，一个像素值的 变化只有当它达到一定的程度(亮度敏感度)才能为人体视觉系统hvs所 见。特别地，以autocad系统缺省的实体颜色白色为例，其像素值为 i＝rgb(255，255，255)，根据上式可得，即实体颜色在rgb(249.9～255， 249.9～255，249.9～255)内，人眼是无法将其与颜色rgb(255，255，255)区 分开来。因此，从人体视觉系统特性来看，通过对矢量图形中实体颜色做微 小改变来嵌入水印信息会具有较好的保真效果。与此同时，实体颜色的改变 并不会改变矢量图形的标注尺寸，嵌入水印信息后的矢量图形与没有嵌入水 印信息的矢量图形的实际使用效果是一样的。
[0038]
此外，为了控制失真以及不对图形顶点数据进行更改，对二维矢量图形 载体数据研究发现，二维矢量图形不同于栅格图像：首先，栅格图像等载体 的元数据一般为整数，而
二维矢量图形的元数据不但含有大量的整数数据而 且还包含大量的实数数据。因此，二维矢量图载体在嵌入特征的选择上更加 复杂和多样化。而嵌入特征的选择会直接影响到方法的不可见性、容量与鲁 棒性。其次，栅格图像中最重要的数据是像素值，各种方法几乎都是在对像 素值进行处理，而二维矢量图形研究的对象主要是图形的实体元素，实体元 素主要包括点、线段、圆、弧等，其中以线段最多。实体同样包含颜色值， 但是矢量图形实体之间的颜色值没有连续性与相关性，不但如此，设计师在 设计二维矢量图时了方便人眼识别，不同种颜色之间的差距较为明显。也就 是说，统计二维矢量图形载体实体的颜色值直方图为理想的一维载体，直方 图必然具有多个孤立的峰值点，而且各峰值点之间都留有足够多的嵌入空间。 若把颜色值直方图分成若干个小直方图，此时不会产生任何边信息，也会使 得容量达到一个理想的状态。实验结果与分析表明，方法不仅具有较高的容 量和较好的不可见性，而且能有效抵御旋转、平移、缩放(rst)等攻击， 并且方法对恶意攻击(例如增加、删除实体等)保持敏感。
[0039]
二维矢量图中有很多相对不重要的属性数据可以用来进行水印嵌入。以 实体颜色属性为例，颜色用于指定同一层或不同层上的几何对象、同一块或 不同块上的几何对象、独立于层或块的对象之间的视觉区别。由实验经过对 50幅二维矢量图形颜色数量进行统计不难发现：
①
设计师在设计二维矢量 图时，设计图的颜色种类一般不会太多。
②
为了方便区别颜色之间的差异， 任意两种颜色之间的像素值差距非常大。为了方便谈论，下面举出具体的实 施例进行说明：
[0040]
1.水印嵌入
[0041]
假定原始水印比特序列为w＝{w
i
|w
i
∈{0,1},i∈{1,2,...,l}}，其中l为水印长 度。具体的嵌入过程如下：
[0042]
步骤1：按顺序提取二维矢量图形g的实体颜色，得到实体颜色序列 c＝{c1,c2,
···
,c
3n
}，其中n为实体的个数，c
3i
‑2,c
3i
‑1,c
3i
是第i个实体的rgb 颜色值。
[0043]
步骤2：利用流加密方法(如rc4等)与水印密钥k
h
对原始水印比特序 列w进行加密，得加密的水印信息w
e
。
[0044]
步骤3：对于实体颜色序列c中的任意一个颜色值c
j
，按下式进行水印 嵌入：
[0045][0046][0047]
步骤4：把修改后的实体颜色序列c
w
还原到图形中，得到含水印的二维 矢量图形g
w
。
[0048]
2.水印提取与图形恢复
[0049]
对于拥有水印密钥k
h
的合法水印使用者，水印提取的具体步骤如下：
[0050]
步骤1：提取含水印的二维矢量图g
′
w
的实体颜色，得到实体颜色序列其中m为实体的个数，是第i个实体 的rgb颜色值。
[0051]
步骤2：遍历实体颜色序列c
′
w
，记录颜色集中出现的值，对其进行递增 排序得到有序集合y＝{y1,...,y
i
,y
i+1
,...,y
q
}，其中y
i
＜y
i+1
&&i∈{1,2,...,q
‑
1}，q为 有序集合y中元素的总数。
[0052]
步骤3：设c
i
′
w
＝y
j
，则按照下式进行信息提取：
[0053][0054][0055]
同时根据提取的水印进行载体恢复：
[0056][0057]
待到所有满足条件的颜色值都提取与恢复完毕。
[0058]
步骤4：随后利用水印密钥k
h
对提取的水印信息进行解密，得到水印比 特序列w
′
。
[0059]
步骤5：把还原后的实体颜色序列c
′
还原到图形中，得到恢复的二维矢 量图g
′
。
[0060]
3.实验结果
[0061]
如表1所示，实验材料为50幅二维矢量图，实验材料的基本信息，包括 实体数量、颜色数量等。此外，由方法原理可知方法容量与实体数量成正比， 方法的净容量上限为3
×
n bit，平均有效载荷约为3bit/实体。其中三幅图形 如图2(a)
‑
(c)所示。图形嵌入水印后的效果如图1(d)
‑
(f)所示。图1(g)
‑
(i)分 别展示了三幅图形在恢复后的实验效果。图2分别展示了实验样本g1，g2， g3的rgb颜色值直方图。
[0062]
表1实验素材基本信息
[0063][0064]
4.方法的保真性能分析
[0065]
一般来说，可逆水印方法的保真性能包含方法的可逆性与含水印图形的 失真两部分。首先，由方法原理以及载体特性可知，这些颜色值经过水印嵌 入后不会与其他颜色值在整数域上连续，从而方法很容易区分原始颜色值与 改变后的颜色值，因此理论上所提方法可逆。此外，实际操作过程中所提方 法是基于整数计算的，不会存在计算误差。而现有方法是基于顶点位置进行 实数数值计算的，这本身就会存在误差。因此可认为本发明所提方法理论上 要比现有方法可逆性更好。
)、随机增加实体(增加数量d∈{20,28,125,150})。 从经受不同rst攻击的水印图形中提取水印，水印的比特错误率全部为0。 而从恶意攻击的水印图形中提取水印，水印的比特错误率约等于0.5，与预 期一致。
[0073]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保 护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或 变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。