基于压缩感知的矢量地理数据水印模型研究

Digital watermark technology plays an important role in the area of the copyright protection for vector geographic data. However, there are still some problems to be solved. For example, it is difficult to expand the watermark information capacity effectively, it is hard to embed the watermark information into small amount of data, and the anti-attacking ability of watermark is not perfect. These problems have seriously restricted the in-depth development of watermark and its reliable applications for vector geographic data. Based on an emerging theory breaking through the traditional sampling techniques, namely the theory of compressive sensing, this project proposes to study the sparse expression model and reconstruction algorithm of the watermark information for vector geographic data, expand the watermarking capacity, and analyze the impact of different attack methods on the reconstruction as well as detecting of watermark information. The project will explore the basic criteria of information reconstruction for vector geographic data, build the watermarking model for vector geographic data based on compressive sensing, and solve the related key issues for watermarking information such as the definition of optimum sparse domain and solutions to optimization problems. This project will present a brand new exploration in watermarking for vector geographic data based on the theory of compressive sensing. The watermarking model and research methods for vector geographic data proposed in this project are expected to provide the innovative outputs in watermarking research for vector geographic data, and enrich the theory and methodologhy system of digital watermarking for vector geographic data.

数字水印技术在矢量地理数据版权保护中发挥重要作用，但还存在一些瓶颈问题亟待解决。例如水印信息容量难以有效扩充、小数据量矢量地理数据水印嵌入难、抗攻击性不够完善等，这些问题严重制约了矢量地理数据水印的深入发展和可靠应用。本项目拟基于近年来兴起的一种突破传统采样方式的压缩感知理论，研究矢量地理数据水印信息稀疏表达模型和重构算法，扩展水印信息容量，分析不同攻击方式对水印信息重构和检测的影响，揭示矢量地理数据水印信息重构的基本规律，构建基于压缩感知的矢量地理数据水印模型，解决矢量地理数据水印信息的最佳稀疏域确定和最优化问题求解等关键科学问题。本项目是基于压缩感知理论研究矢量地理数据水印的一次全新探索，所提出的矢量地理数据水印模型与方法，可望在矢量地理数据数字水印研究中取得创新性的研究成果，充实矢量地理数据数字水印的理论与方法体系。

数字水印在矢量地理数据的应用中能起到版权保护、分发管理、泄密追踪等作用，得到了广泛的研究和发展。目前矢量地理数据的数字水印研究侧重于具体的水印算法，但是从水印信息的角度研究较少，水印信息的安全性、容量等特性未得到重视，水印信息的自身鲁棒性缺乏研究。本研究完成的工作如下：.1）从矢量地理数据水印信息生成的角度出发，结合矢量地理数据特征，基于矢量地理数据水印技术及压缩感知理论，分析了压缩感知在矢量地理数据水印信息生成中的适应性，为矢量地理数据水印模型的构建和算法的设计建立了基础。.2）建立了二值文字水印信息和二值图标水印信息这两种不同类型的矢量地理数据水印信息的稀疏表征方法，通过数学形态学、多层提升小波变换和Curvelet变换实现了水印信息的稀疏表达。依据压缩感知在信号采样方面的优势，针对已经进行稀疏表征的矢量地理数据水印信息，提出了一种基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成算法。随后在分析现有压缩感知重构算法的基础上，构建了最适合于矢量地理数据的水印信息的重构算法，从而完成矢量地理数据的水印信息提取。.3）基于对矢量地理数据水印信息的稀疏表征，提出了一种基于压缩感知的矢量地理数据数字水印方法，通过对原始水印信息进行压缩感知处理后得到的数据作为待嵌入水印信息，将其嵌入到矢量地理数据坐标串的小波变换域中，提升水印算法的鲁棒性。.在上述理论研究成果的基础上，根据提出的模型及算法进行了实验。实验结果表明，所提出的基于压缩感知的矢量地理数据水印信息生成及重构算法有效减少了水印信息的嵌入量，达到扩展水印容量的目的，同时具有加密水印信息的作用。基于此方法的数字水印算法可以有效承载更多的版权信息内容，提高水印算法的抗攻击能力。研究的基于压缩感知的矢量地理数据水印算法，对于矢量地理数据的版权鉴定、安全保护具有重要的科学意义和实用价值。