工程图数据水印技术设计及实现

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义
随着信息技术和网络的发展，为了存储、传递的方便，各种作品，如图形、图像、音频、视频、文本等都实现了数字化。作品的数字化给人们带了许多便利，其不仅成本低廉，而且可以进行快速的复制和传播。但由此也产生了许多安全问题，如盗版猖獗、非法使用等。因此对数字作品进行有效地保护已成为十分必要和迫切的工作。密码技术是保护数字作品的手段之一，采用密码手段可以禁止非法用户的读取，但也给合法用户的使用带来了不便，用户需要先解密再使用，而且解密之后作品就失去了有效的保护，不能保证解密后的修改、非法复制和再次传播。作为密码技术的补充，数字水印技术可以较好地弥补密码技术的不足。数字水印技术是信息隐藏技术的分支，其把可以标识作者或所有者的水印信息嵌入到数字作品中。因为水印信息量与作品原有的信息量相比少许多，采用相应水印算法后，通常不会影响作品的使用。需要验证时，可以提取水印信息，以证明作品的版权归属。
目前，数字水印技术已成为研究的热点，广泛应用于图像、音频、视频、文本等数字作品的版权鉴别、拷贝控制、内容认证等。工程图是表达作者设计意图、进行技术交流和指导生产的一个非常重要的技术文献，是工程师的设计成果，凝聚着工程师的汗水和智慧。目前大多数工程图都是用计算机绘图软件（如：AutoCAD）绘制的二维矢量图，经常需要通过网络来传输，对其进行版权保护很有必要。相比密码学技术而言，数字水印技术是一种更为有效的方式。工程图是一种矢量图，与位图相比，其本身包含的信息量少很多，这给水印嵌入带来了困难。当前，对工程图数字水印技术的研究还不多，现有的算法普通存在鲁棒性较差、非盲检测、水印容量小、隐蔽性差等问题。常用的工程图绘制软件还不支持数字水印技术，可见数字水印技术还不完善，方法有待进一步研究和改进。

1.2 研究现状及展望
当前，数字水印的研究大多集中在图像[1-4]、音视频[5-6]方面，对矢量图的研究还不多，近几年来越来越受到重视。针对矢量图形的数字水印算法主要有基于空间域的水印算法和基于变换域的水印算法。
1.2.1 基于空间域的水印算法
基于空间域的水印算法通常都是提取图形本身的一些数据信息，不进行变换，直接修改来嵌入水印信息。水印的载体有线的颜色、宽度、方向、坐标点等。刘良文等[7]提出将二值数字图像作为水印嵌入到工程图中，通过修改工程图中各条直线与基准直线的比例关系来嵌入水印。陈永府等[24]也提出把水印信息间接地加载到直线段的长度、圆弧的弧度上、圆的半径上，引入比例因子λ后，对平移、旋转、缩放攻击具有完全的抵御能力。这类算法对裁剪、部分删除攻击的抵抗力一般。汪亚顺等[8]提出通过修改直线的长度来嵌入水印，固定直线中心点不变，修改二个端点的坐标值，水印信息嵌入至直线先后长度的比例中。在对图形进行旋转，平移和均匀时，此比例值不会发生变化，因而该水印算法对几何攻击具有很强的鲁棒性，对于剪切类攻击鲁棒性差。
在此基础上，他们还提出了一种扩频算法[9]，将扩频后的水印序列嵌入到工程图中，算法的抗删除攻击的能力得到增强。彭飞等[10]提出了一种基于特征的二维工程图信息隐藏算法，把工程图中线段的线型作为载体，通过修改线型来实现信息的隐藏。该算法鲁棒性不强，当对图线进行一致性操作时，隐藏的信息将被清除。文献[11-14]中提出把图形分割成矩形框或分层，通过修改各分块或分层中的顶点坐标来嵌入水印，但对某分块裁剪时可能会影响其他分块，造成水印的丢失。文献[15-16]把曲线控制点的坐标作为水印信息载体。文献[15]中提出把水印信息嵌入至 B-spline 曲线控制点坐标中；文献[16]中提出把水印信息嵌入至 Bezier 曲线控制点坐标中。这类算法有很好的隐蔽性和很强的鲁棒性，但有局限性，不适用于曲线较少的工程图。空域的矢量图水印算法一般有较强的抵抗平移、缩放、旋转等几何攻击能力，对于裁剪、删除的攻击鲁棒性不强。基于空间域的水印算法，嵌入水印容量较大，鲁棒性相对较差，大多是非盲检测，研究的重点在于提高算法的鲁棒性和盲检测算法。
1.2.2 基于变换域的水印算法
基于变换域的水印算法大多借鉴数字图像水印算法，水印信息不是通过直接修改顶点坐标嵌入的，而是从工程图中选取顶点的坐标，并按一定的规则进行排序，然后对序列进行域变换，将水印嵌入到它们的变换系数中。变换域的水印算法是目前研究的重点，常用的变换方法有 DWT、DFT、DCT 等。文献[17-22]采用 DFT 变换，提取图形中的顶点坐标构成坐标系列，对坐标序列进行 DFT 变换，然后修改 DFT 变换系数将把一位水印信息嵌入至二维矢量数据中，算法鲁棒性较强，能够抵抗顶点重排、改变遍历起点或方向和各种几何攻击，但水印容量较小，需要大量的顶点坐标。黄晓生等[23]提出了一种基于傅立叶描述子的二维工程图的数字水印算法，利用顶点坐标构造出复值信号，再进行傅立叶变换，对傅立叶变换系数幅值进行调制，嵌入伪随机水印序列。该算法能抵抗平移、旋转、添加及删除部分实体等攻击，但算法是非盲检测。闵连权等[25]等提出采用 DCT 变换，提取图形数据的若干点坐标，组成特征图像，然后对特征图像作离散余弦变换，把水印信息嵌入在中低频系数上。
 
   1.3 本文的主要工作及结构安排 ...................10-12
第2章 相关理论简介 ...................12-18
    2.1 数字水印技术概述 ...................12
    2.2 数据水印技术的特性 ...................12-13
    2.3 数字水印的分类 ...................13-14
    2.4 数字水印系统 ...................14-15
    2.5 数字水印的性能评价标准 ...................15-16
    2.6 工程图的特点 ...................16
    2.7 工程图数字水印算法的基本要求 ...................16-18
第3章 两级 DCT 变换的工程图数字水印算法 ...................18-33
    3.1 算法引入 ...................18
    3.2 基本理论 ...................18-20
    3.3 两级 DCT 变换算法的基本思想 ...................20-24 
    3.4 算法描述 ...................24-28
    3.5 算法实验结果与性能分析 ...................28-32
    3.6 小结 ...................32-33
第4章 基于标注特征的比例平移数字水印算法 ...................33-40
    4.1 引言 ...................33
    4.2 工程图尺寸标注特点分析 ...................33-34
    4.3 基于标注特征水印算法设计 ...................34-37
    4.4 算法实验结果与性能分析 ...................37-39
    4.5 小结 ...................39-40
第5章 系统设计及实现 ...................40-52
    5.1 开发环境 ...................40
    5.2 AutoCAD VBA 简介 ...................40-42
    5.3 VBA 与 Matlab 集成 ...................42-43
    5.4 系统功能 ...................43-44
    5.5 系统实现 ...................44-51 
    5.6 小结 ...................51-52

结 论

网络技术的飞速发展不仅给人们带来了巨大的便捷，同样带来了诸多的安全隐患。工程图需要通过网络来传递，其安全性以及来源的真实性是急切需要关注的部分。数字水印技术是一种有效的解决方案。针对工程图数字水印算法在鲁棒性、隐蔽性、水印容量、自动恢复等方面的要求，本文做了相应的研究，主要特色与创新工作如下：
① 提出了两级 DCT 变换的工程图数字水印算法，采用二次 DCT 变换实现水印的嵌入，与一级 DCT 变换的算法相比，在保证算法鲁棒性的前提下，增加了水印容量。
② 提出了基于尺寸标注的比例平移数字水印算法，利用工程图尺寸标注与标注对象之间的关系，通过移动尺寸标注来嵌入水印，此算法不仅是一种盲检测算法，而且有较强的鲁棒性，还可以把嵌入水印的工程图直接恢复成原始的工程图。
虽然在工程图数字水印算法的研究上，取得了一些成果，但本文所做的工作还远远不够，要想丰富和完善这一领域，尚有大量的工作要做，根据作者对本领域的研究体会，认为以下几个方面有待于进一步研究：
① 现有的算法一般是通过修改图元坐标点的方法嵌入水印，嵌入水印的工程图与原工程图之间有精度差别，在一定程度上影响了工程图的使用。本文虽然提出了一种自动恢复的工程图数字水印算法，但算法要求有大量标注，使用受限。所以工程图可逆数字水印算法是未来研究的重点。
② 现有的算法一般能抵抗几何攻击，对裁剪、删除等攻击的鲁棒性也较强，但对图形格式转换攻击的鲁棒性不强，所以更强鲁棒性的水印算法是努力的方向。

参考文献

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[6]Boney L,Tewfik A I,Hamdy K I.Digital watermarks for audio signals[C]. Proc.ofEUSIPCO 96,1996:1697-1700.
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[9]汪亚顺,刘良文,徐铭政.基于二维工程图的数字水印扩频算法[J].南昌大学学报:工科版,2005,27(4):91-94.
[10]彭飞,孙星明.一种基于特征的二维工程图信息隐藏算法[J].计算机工程与应用,2007,43(15):54-55.