轨迹数据零水印生成方法、检测方法及装置和存储介质

1.本发明涉及地理信息安全技术领域，特别是涉及一种轨迹数据零水印生成方法、检测方法及装置和存储介质。


背景技术：

2.随着gps技术的发展，轨迹数据被广泛用于出行行为分析、自动驾驶、城市规划、公共卫生等领域。但轨迹数据在共享与传输中极易被拷贝、盗取，随之产生的版权保护问题严重阻碍了轨迹数据的公开和科学研究。因此，如何有效保护轨迹数据的版权，已成为亟待解决的问题。
3.数字水印技术以隐藏的方式将信息嵌入到宿主数据中（liu, x.-l., lin, c.-c., & yuan, s.-m. (2018). blind dual watermarking for color images
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authentication and copyright protection. ieee transactions on circuits and systems for video technology, 28(5), 1047
–
1055.），其是版权保护的重要技术之一。数字水印已经被证明是一种有效的工具用于识别图像、音频、视频以及地理数据的来源、创建者、所有者、分发者或授权使用者。然而，现将数字水印技术应用于轨迹数据版权保护的研究十分匮乏。（jin, x., zhang, z., wang, j., & li, d. (2005). watermarking spatial trajectory database. in l. zhou, b. c. ooi, & x. meng (eds.), database systems for advanced applications (pp. 56
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67). springer.）通过修改轨迹特征点距离比的小数位来嵌入水印信息。（lucchese c , vlachos m , rajan d , et al. rights protection of trajectory datasets with nearest-neighbor preservation[j]. vldb journal, 2010, 19(4):531-556.）将水印信息嵌入轨迹的离散傅里叶变换系数中。（岳名亮. 地理数据版权保护与完整性验证方法研究[d].武汉大学,2015.）从轨迹流的视角出发，向轨迹流数据的特征位置的距离中嵌入水印信息。（文春雷. 轨迹数据的完整性检测方法研究 [d].石河子大学，2017.）将组水印和轨迹点水印嵌入到轨迹点坐标的最低有效位和次最低有效位用于轨迹数据的完整性检测。（pan z , bao j , zhang w , et al. trajguard: a comprehensive trajectory copyright protection scheme[c]// the 25th acm sigkdd international conference. acm, 2019.）通过调节子轨迹的质心距离来嵌入水印。
[0004]
然而，上述的轨迹数据数字水印算法均为有损的即对轨迹数据的坐标进行了修改。轨迹数据作为高精度数据，这不可避免的破坏了其准确性，降低了数据质量，对轨迹数据的使用造成了障碍。因此，轨迹数据无损水印的研究应受到更多关注。
[0005]
轨迹数据作为时空大数据中的一种，其与矢量地理数据一样都具有空间特征。因此，矢量地理数据无损水印的发展可为轨迹数据无损水印提供参考。现有的矢量地理数据无损水印可分为嵌入式和构造式两类。嵌入式无损水印多为可逆水印，其可将水印信息嵌入到原始数据中，并在水印信息提取时无损的恢复原始数据。然而，可逆水印在投入使用前需要删除嵌入的水印信息，无法对数据在使用过程中提供版权保护。这显然不能满足轨迹
数据版权保护的需求。
[0006]
构造式无损水印又被称为零水印，其是指通过数据本身重要且稳定的特征构造水印序列，并不会对数据进行修改，是轨迹数据版权保护的理想方案。目前，还未出现将零水印应用于轨迹数据的算法，本发明可填补该方面的空白。


技术实现要素：

[0007]
提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种轨迹数据零水印生成方法、检测方法及装置和存储介质，针对轨迹数据在传输、使用过程中可能存在的被非法获取、篡改、版权归属问题，以及其数据精度的无损要求，本发明可在不改变数据精度的条件下实现水印信息的构造和检测，而且所构建的水印信息具有较高的鲁棒性。
[0008]
根据本发明的第一方案，提供一种轨迹数据零水印生成方法，所述方法包括：生产版权信息；对轨迹t进行压缩，其中压缩的欧式距离阈值和最大同步欧式距离阈值作为密钥，压缩后的轨迹分别记作和；删除和中的起始点并取交集，得到轨迹；计算轨迹的最小面积外接矩形，取最小面积外接矩形四边的中点将所述轨迹划分为四等分；统计每个等分中轨迹点的数量，选择轨迹点数量最多的等分中的最小面积外接矩形的顶点作为原点，并将与该顶点所接的最小面积外接矩形的长边为x轴，短边为y轴，构建平面直角坐标系；基于所述平面直角坐标系，将轨迹分成个子轨迹，作为密钥，每个子轨迹均有子轨迹索引：；将子轨迹继续划分为个子块，其中为密钥，遍历每个子块，若有轨迹点存在，则将该子块赋值为1，否则赋值为0，获得大小为的二值图像pb；获取pb中值为1像元的行索引和列索引，将所述行索引和列索引作为变量用于计算线性不变矩，并得到七个矩不变量；对前四个矩不变量、、、分别量化为0值或者1值，再依次拼接成长度为4的二值序列m；计算pb中值为1像元的行索引和列索引的平均值和，并与子轨迹索引和以及轨迹序号id依次拼接后使用哈希函数计算水印索引；
将二值序列根据水印索引映射到的位置上，对二值序列上的每一位进行选择并组合成新的二值序列，再将每一位上的水印比特组合成长度为n的零水印序列；基于所述零水印序列与生成的版权信息，得到版权水印信息。
[0009]
进一步地，通过如下方法生产版权信息：获取大小为二值版权图像；对所述二值版权图像进行加密；将加密后的二值版权图像转为长度为n的一维二值序列。
[0010]
进一步地，所述基于所述零水印序列与生成的版权信息，得到版权水印信息，具体包括：将零水印序列与二值序列进行异或操作，得到版权水印信息。
[0011]
根据本发明的第二方案，提供一种轨迹数据零水印生成装置，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：生产版权信息；对轨迹t进行压缩，其中压缩的欧式距离阈值和最大同步欧式距离阈值作为密钥，压缩后的轨迹分别记作和；删除和中的起始点并取交集，得到轨迹；计算轨迹的最小面积外接矩形，取最小面积外接矩形四边的中点将所述轨迹划分为四等分；统计每个等分中轨迹点的数量，选择轨迹点数量最多的等分中的最小面积外接矩形的顶点作为原点，并将与该顶点所接的最小面积外接矩形的长边为x轴，短边为y轴，构建平面直角坐标系；基于所述平面直角坐标系，将轨迹分成个子轨迹，作为密钥，每个子轨迹均有子轨迹索引：；
将子轨迹继续划分为个子块，其中为密钥，遍历每个子块，若有轨迹点存在，则将该子块赋值为1，否则赋值为0，获得大小为的二值图像pb；获取pb中值为1像元的行索引和列索引，将所述行索引和列索引作为变量用于计算线性不变矩，并得到七个矩不变量；对前四个矩不变量、、、分别量化为0值或者1值，再依次拼接成长度为4的二值序列m；计算pb中值为1像元的行索引和列索引的平均值和，并与子轨迹索引和以及轨迹序号id依次拼接后使用哈希函数计算水印索引；将二值序列根据水印索引映射到的位置上，对二值序列上的每一位进行选择并组合成新的二值序列，再将每一位上的水印比特组合成长度为n的零水印序列；基于所述零水印序列与生成的版权信息，得到版权水印信息。
[0012]
进一步地，所述处理器被进一步配置为：获取大小为二值版权图像；对所述二值版权图像进行加密；将加密后的二值版权图像转为长度为n的一维二值序列。
[0013]
进一步地，所述处理器被进一步配置为：将零水印序列与二值序列进行异或操作，得到版权水印信息。
[0014]
根据本发明的第三方案，提供一种轨迹数据零水印方法，其特征在于，所述方法包括：将待检测的轨迹数据集利用如上所述的方法生成水印序列；将所述水印序列与二值序列进行异或操作，得到待检测
数据生成的版权水印信息；将所述版权水印信息与原始数据生成的版权水印信息做相似度检测，得到相似度值，根据所述相似度值以及预设的相似度阈值来确定所述待检测数据与所述原始数据是否为同一数据。
[0015]
进一步地，所述根据所述相似度值以及预设的相似度阈值来确定所述待检测数据与所述原始数据是否为同一数据，具体包括：若所述相似度值超过所述相似度阈值，则确定所述待检测数据与所述原始数据是同一数据；若所述相似度值不超过所述相似度阈值，则确定所述待检测数据与所述原始数据不是同一数据。
[0016]
根据本发明的第四方案，提供一种轨迹数据零水印检测装置，其特征在于，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：将待检测的轨迹数据集利用如上所述的方法生成水印序列；将所述水印序列与二值序列进行异或操作，得到待检测数据生成的版权水印信息；将所述版权水印信息与原始数据生成的版权水印信息做相似度检测，得到相似度值，根据所述相似度值以及预设的相似度阈值来确定所述待检测数据与所述原始数据是否为同一数据。
[0017]
进一步地，所述处理器被进一步配置为：若所述相似度值超过所述相似度阈值，则确定所述待检测数据与所述原始数据是同一数据；若所述相似度值不超过所述相似度阈值，则确定所述待检测数据与所述原始数据不是同一数据。
[0018]
根据本发明的第五方案，提供一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行如上所述的轨迹数据零水印生成方法或检测方法。
[0019]
根据本发明各个方案的轨迹数据零水印生成方法、检测方法及装置和存储介质，其至少具有以下技术效果：本发明基于轨迹数据的特征点所构建的坐标系进行分块，然后使用每一个分块中轨迹的矩不变量并将其构造为水印序列，能够在不对数据修改的条件下实现版权保护。此外，由于本发明使用可以代表轨迹整体特征的矩不变量构建水印序列，其在面对常见攻击时的稳定性较强，能够抵抗几乎所有常见类型的攻击。
附图说明
[0020]
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
[0021]
图1是本发明方法的版权水印信息生成与检测的流程图。
[0022]
图2是本发明方法的版权水印信息生成流程图。
[0023]
图3是本发明零睡衣生成方法的实验数据。
[0024]
图4是使用本发明方法构造出的版权水印信息：（a）为版权图像，（b）为版权水印信息。
[0025]
图5是对数据进行攻击后的数据和检测结果：（a）为整体旋转攻击，（b）为整体平移攻击，（c）为整体缩放攻击，（d）为轨迹点随机删除攻击。
具体实施方式
[0026]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
[0027]
实施例1：
[0028]
本发明实施例提供一种轨迹数据零水印生成方法，如图1和图2所示，该生成方法包括如下步骤：步骤1.1：选取一个大小为的二值版权图像，记作；步骤1.2：使用密钥作为logistic算法的参数对进行加密；步骤1.3：将加密完后将二维图像转为长度为n的一维二值序列；步骤二、版权水印信息生成步骤2.1：使用douglas-peucker和top-down time-ratio算法对一条轨迹t分别进行压缩，其中压缩的欧式距离阈值和最大同步欧式距离阈值作为密钥，压缩后的轨迹分别记作和；步骤2.2：删除和中的起始点并取交集，最终得到轨迹；步骤2.3：计算轨迹的最小面积外接矩形，取最小面积外接矩形四边的中点将其划分为四等分；步骤2.4：统计每个等分中轨迹点的数量，选择轨迹点数量最多的等分中的最小面
积外接矩形的顶点作为原点，并将与该顶点所接的最小面积外接矩形的长边为x轴，短边为y轴，构建平面直角坐标系；步骤2.5：基于步骤2.4构建的坐标系，将轨迹分成个子轨迹，可作为密钥。每个子轨迹均有一个子轨迹索引：；步骤2.6：将一个子轨迹继续划分为个子块，其中为密钥。遍历每个子块，若有轨迹点存在，则将该子块赋值为1，否则赋值为0。最终获得大小为的二值图像pb；步骤2.7：获取pb中值为1像元的行索引和列索引，将其作为变量用于计算线性不变矩，并得到七个矩不变量；步骤2.8：对前四个矩不变量、、、分别量化为0值或者1值，再依次拼接成长度为4的二值序列m；步骤2.9：计算pb中值为1像元的行索引和列索引的平均值和，并与子轨迹索引和以及轨迹序号id依次拼接后使用哈希函数计算水印索引。重复步骤2.6至2.9对所有子轨迹进行计算，最终获得每个子轨迹的二值序列和水印索引。
[0029]
步骤2.10：对轨迹数据集中每一条轨迹重复步骤2.1至2.9，得到对应的二值序列和水印索引集合；步骤2.11：将二值序列根据水印索引映射到的位置上，使用多数投票法对二值序列上的每一位进行选择并组合成新的二值序列，再将每一位上的水印比特组合成长度为n的零水印序列；步骤2.12：将水印序列与二值序列进行异或操作，最终得到版权水印信息。
[0030]
实施例2：
[0031]
本发明实施例提供一种轨迹数据零水印检测方法，如图1所示，该检测方法基于如实施例1所述方法生产的水印，具体包括如下步骤：步骤3.1：对待检测的轨迹数据集使用步骤二生成零水印序列，记作；
步骤3.2：将零水印序列二值序列进行异或操作，得到待检测数据生成的版权水印信息；步骤3.3：将与原始数据生成的版权水印信息做相似度检测，若超过相似度阈值则认为是同一数据，反之数据不同。
[0032]
实施例3：
[0033]
本实施例选择一份包含3435条轨迹的轨迹数据集，针对版权信息的生成、版权水印信息的生成和检测等整个过程，给出本发明方法（包括轨迹的生成与检测）的一个实施例，进一步详细说明本发明。
[0034]
基于该份包含3435条轨迹的轨迹数据集，执行以下步骤：步骤1、版权信息生成：步骤一：选择一份可以证明版权信息的二值化图像，如图4中的（a）所示。
[0035]
步骤二：使用logistic算法对二值化图像进行加密，并将加密后的图像转为一维的二值序列。
[0036]
步骤1、版权水印信息嵌入：步骤一：计算轨迹数据特征点的最小外接矩形，并根据外接矩形重新构建坐标系。
[0037]
步骤二：基于步骤一构建的坐标系，将轨迹分块，并计算每个分组中轨迹的矩不变量，最后将矩不变量量化生成的零水印序列与版权信息异或后生成版权水印信息，如图4中（b）所示。
[0038]
步骤3、版权水印信息检测：步骤一：计算待检测的轨迹数据特征点的最小外接矩形，并根据外接矩形重新构建坐标系；步骤二：基于步骤一构建的坐标系，将轨迹分块，并计算每个分组中轨迹的矩不变量，最后将矩不变量量化生成的零水印序列与版权信息异或后生成版权水印信息。
[0039]
步骤三：将计算出的版权水印信息与原始数据生成的版权水印信息进行相似度比对，若超过阈值则认为数据相同，否则为不同的数据。
[0040]
本发明所提出的方法是专门针对轨迹数据的零水印算法，采用该方法可以在精度无损条件下对轨迹数据进行版权保护，并且具有极强的鲁棒性。
[0041]
对利用本发明所生成的水印信息进行如下测试与分析：（1）版权水印信息生成与检测将从原始轨迹数据中构造出的水印信息与版权信息为“water mark”的二值图像异或生成版权水印信息。然后使用同样的方法从待检测的轨迹数据中构造出版权水印信息。实验结果表明，待检测数据生成的版权水印信息与原始数据构建的版权水印信息相同。
[0042]
（2）抗修改攻击轨迹数据的修改攻击是指其被有意或无意的修改，包括为整体旋转、整体平移、整
体缩放、轨迹点随机删除等。如图5所示，实验结果表明，本方法对于经过不同类型攻击的轨迹数据，都能够正确地构造出正确的水印信息，有效地保护了数据的版权信息。
[0043]
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本发明的具有等同元件、修改、省略、组合（例如，各种实施例交叉的方案）、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本技术的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
[0044]
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例（或其一个或更多方案）可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本发明。这不应解释为一种不要求保护的发明的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本发明的主题可以少于特定的发明的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

技术特征：
1.一种轨迹数据零水印生成方法，其特征在于，所述方法包括：生产版权信息；对轨迹t进行压缩，其中压缩的欧式距离阈值和最大同步欧式距离阈值作为密钥，压缩后的轨迹分别记作和；删除和中的起始点并取交集，得到轨迹；计算轨迹的最小面积外接矩形，取最小面积外接矩形四边的中点将所述轨迹划分为四等分；统计每个等分中轨迹点的数量，选择轨迹点数量最多的等分中的最小面积外接矩形的顶点作为原点，并将与该顶点所接的最小面积外接矩形的长边为x轴，短边为y轴，构建平面直角坐标系；基于所述平面直角坐标系，将轨迹分成个子轨迹，作为密钥，每个子轨迹均有子轨迹索引：；将子轨迹继续划分为个子块，其中为密钥，遍历每个子块，若有轨迹点存在，则将该子块赋值为1，否则赋值为0，获得大小为的二值图像pb；获取pb中值为1像元的行索引和列索引，将所述行索引和列索引作为变量用于计算线性不变矩，并得到七个矩不变量；对前四个矩不变量、、、分别量化为0值或者1值，再依次拼接成长度为4的二值序列m；计算pb中值为1像元的行索引和列索引的平均值和，并与子轨迹索引和以及轨迹序号id依次拼接后使用哈希函数计算水印索引；将二值序列根据水印索引映射到的位置上，对二值序列上的每一位进行选择并组合成新的二值序列，再将每一位上的水印比特组合成长度为n的零水印序列；基于所述零水印序列与生成的版权信息，得到版权水印信息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下方法生产版权信息：
获取大小为二值版权图像；对所述二值版权图像进行加密；将加密后的二值版权图像转为长度为n的一维二值序列。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述零水印序列与生成的版权信息，得到版权水印信息，具体包括：将零水印序列与二值序列进行异或操作，得到版权水印信息。4.一种轨迹数据零水印生成装置，其特征在于，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：生产版权信息；对轨迹t进行压缩，其中压缩的欧式距离阈值和最大同步欧式距离阈值作为密钥，压缩后的轨迹分别记作和；删除和中的起始点并取交集，得到轨迹；计算轨迹的最小面积外接矩形，取最小面积外接矩形四边的中点将所述轨迹划分为四等分；统计每个等分中轨迹点的数量，选择轨迹点数量最多的等分中的最小面积外接矩形的顶点作为原点，并将与该顶点所接的最小面积外接矩形的长边为x轴，短边为y轴，构建平面直角坐标系；基于所述平面直角坐标系，将轨迹分成个子轨迹，作为密钥，每个子轨迹均有子轨迹索引：；将子轨迹继续划分为个子块，其中为密钥，遍历每个子块，若有轨迹点存在，则将该子块赋值为1，否则赋值为0，获得大小为的二值图像pb；获取pb中值为1像元的行索引和列索引，将所述行索引和列索引作为变量用于计算线性不变矩，并得到七个矩不变量；对前四个矩不变量、、、分别量化为0值或者1值，再依次拼接成长度为4的二值序列m；
计算pb中值为1像元的行索引和列索引的平均值和，并与子轨迹索引和以及轨迹序号id依次拼接后使用哈希函数计算水印索引；将二值序列根据水印索引映射到的位置上，对二值序列上的每一位进行选择并组合成新的二值序列，再将每一位上的水印比特组合成长度为n的零水印序列；基于所述零水印序列与生成的版权信息，得到版权水印信息。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：获取大小为二值版权图像；对所述二值版权图像进行加密；将加密后的二值版权图像转为长度为n的一维二值序列。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器被进一步配置为：将零水印序列与二值序列进行异或操作，得到版权水印信息。7.一种轨迹数据零水印方法，其特征在于，所述方法包括：将待检测的轨迹数据集利用如权利要求1至3中任一项所述的方法生成水印序列；将所述水印序列与二值序列进行异或操作，得到待检测数据生成的版权水印信息；将所述版权水印信息与原始数据生成的版权水印信息做相似度检测，得到相似度值，根据所述相似度值以及预设的相似度阈值来确定所述待检测数据与所述原始数据是否为同一数据。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述相似度值以及预设的相似度阈值来确定所述待检测数据与所述原始数据是否为同一数据，具体包括：若所述相似度值超过所述相似度阈值，则确定所述待检测数据与所述原始数据是同一数据；
若所述相似度值不超过所述相似度阈值，则确定所述待检测数据与所述原始数据不是同一数据。9.一种轨迹数据零水印检测装置，其特征在于，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：将待检测的轨迹数据集利用如权利要求1至3中任一项所述的方法生成水印序列；将所述水印序列与二值序列进行异或操作，得到待检测数据生成的版权水印信息；将所述版权水印信息与原始数据生成的版权水印信息做相似度检测，得到相似度值，根据所述相似度值以及预设的相似度阈值来确定所述待检测数据与所述原始数据是否为同一数据。10.一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据权利要求1至3中或7至8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开一种轨迹数据零水印生成方法、检测方法及装置和存储介质，本发明基于轨迹数据的特征点所构建的坐标系进行分块，然后使用每一个分块中轨迹的矩不变量并将其构造为水印序列，能够在不对数据修改的条件下实现版权保护，并且本发明使用可以代表轨迹整体特征的矩不变量构建水印序列，其在面对常见攻击时的稳定性较强，能够抵抗几乎所有常见类型的攻击。击。击。


技术研发人员：胡宇宸 孙华 杨文 任娜 陈炯炯 刘曦 陈胜 朱长青 顾进杰 吕月周 曹轩源
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：2023.08.18
技术公布日：2023/9/26