一种可逆数据库水印的嵌入和提取方法技术

本发明专利技术公开了一种可逆数据库水印的嵌入和提取方法，属于数字水印的领域，嵌入方法，包括：S1：对数据库数据进行预处理，并对数据库元组进行行置乱，并将行置乱后的元组均匀分组；S2：在每个分组中将数据库分为空白集合和阴影集合，对阴影集合的属性值执行菱形预测器以获取预测误差值；S3：对阴影集合的预测误差值绝对值的频数进行统计，构建阴影集合的预测误差直方图；S4：对于阴影集合的预测误差直方图，确定嵌入载体及其嵌入的水印信息；S5：通过直方图平移的方法进行水印嵌入和属性值修改；S6：对第二层嵌入中的空白集合重复上述步骤S1

【技术实现步骤摘要】
一种可逆数据库水印的嵌入和提取方法


[0001]本专利技术属于数字水印的领域，具体涉及一种基于菱形预测和双层嵌入直方图平移的可逆数据库水印的嵌入和提取方法。

技术介绍

[0002]近年来，数据库水印(Database Watermarking)技术逐渐成为信息安全领域的研究热点，该技术旨在利用隐秘的手段将有意义的版权说明、用户身份等水印信息嵌入到数据库中。在接收端只有拥有特定密钥的接收者能够使用对应的水印提取和数据恢复算法从数据库中提取出水印信息，该技术被广泛地应用于数据库版权保护、篡改检测、泄密溯源以及完整性认证等领域。其中的可逆数据库水印技术(Reversible Database Watermarking)不仅能够提取嵌入的水印信息，还能够没有任何失真地恢复原始数据。该技术的研究重点主要在于如何降低数据失真和提升水印嵌入容量。由于这种无损恢复的特性，可逆数据库技术被广泛地应用于财务、法律及军事等敏感领域。
[0003]Hu等人提出了基于遗传算法的直方图平移(Genetic Algorithm and Histogram Shifting Watermarking，缩写为GAHSW)的数据库水印方法，该论文的引用信息如下：Hu D,Zhao D,Zheng S.A new robust approach for reversible database watermarking with distortion control[J].IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering,2018,31(6):1024
‑
1037.。该方法采用了预测误差直方图来进行扩展和平移操作，以嵌入秘密信息。预测误差直方图是通过预测误差的绝对值构建，通过遗传算法进行优化，平衡水印嵌入过程中容量相关成本和元组失真。因此，预测误差直方图的峰值更高，且使用扩展和平移操作导致单个属性值的数据失真较小。该方法可以总结为以下三个主要步骤：
[0004](1)水印预处理：首先，通过遗传算法得到用于分组的最佳密钥，然后对数据库进行分组操作，每组嵌入1比特水印信息，分组公式如下：
[0005]n
i
＝H(K
s
||H(K
s
||t
α
，PK)％N
g
[0006]其中，n
i
是分组后的数据库中元组的编号，n
i
＝1，2，
…
，N
g
，N
g
为水印长度；H()表示加密散列函数，例如安全散列算法(SHA)，其应用于元组的主键t
α
，PK和密钥K
s
以确保安全地分组；“||”是连接符号。
[0007](2)属性值预测和直方图生成：首先，计算预测值
[0008]其中，j为属性所在列，min[j]和max[j]分别为第j列的最小值和最大值。然后得到预测误差最后，统计预测误差值的绝对值的频数生成预测误差直方图。
[0009](3)直方图修改：通过对预测误差直方图执行扩展和平移操作来嵌入水印信息。具体地，对于每个预测误差p
e
，修改公式如下：
[0010][0011]其中，p是预测误差的绝对值为非零值且出现频率最多的数值，即峰值点，w∈{0，1}代表待嵌入的二值信息比特。值在p处的图柱进行扩展操作来完成水印信息的嵌入，值在(
‑
∞，p)和(p，+∞)之间的图柱分别向左向右执行平移操作，从而保证算法的可逆性。最后，将属性值修改为得到最后的嵌入水印的数据库。
[0012]在图1中展示了当p＝1时，基于遗传算法的直方图映射规则示意图。可以看到，上述基于遗传算法的直方图平移(GAHSW)方法需要在每个分组中单独创建一个预测误差直方图，位于峰值点的属性值均嵌入同样的1比特水印信息。尽管一系列基于GAHSW的方法取得了很好的成果，但GAHSW方法的性能仍有提高的空间。这是因为在传统的直方图平移方法中，没有利用数据库属性的离散分布特性，在生成的预测误差直方图中除了对峰值进行扩展外，还需要对峰值右侧的图柱进行平移，会造成很大的冗余失真，且每个分组仅嵌入1比特水印信息，没有充分利用峰值点处可嵌入水印信息的载体，导致水印嵌入容量较低。
[0013]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是提供一种可逆数据库水印的嵌入和提取方法，其能够更好地利用了数据库属性值分布的离散性，实现了良好的数据失真和水印嵌入容量。
[0015]为了实现上述目的，本专利技术提供的一种可逆数据库水印的嵌入方法，包括以下步骤：
[0016]S1：对数据库数据进行预处理，并使用基于一维Logistic映射的置乱算法，对数据库元组进行行置乱，并将行置乱后的元组均匀分组；
[0017]S2：在每个分组中将属性值按顺序排列成矩阵，并将矩阵分为空白集合和阴影集合，对阴影集合的属性值执行菱形预测器以获取预测误差值；
[0018]S3：对阴影集合的预测误差值绝对值的频数进行统计，构建阴影集合的预测误差直方图；
[0019]S4：对于阴影集合的预测误差直方图，根据单图柱双比特的嵌入规则确定嵌入载体及其嵌入的水印信息；
[0020]S5：对于每个属性值，通过直方图平移的方法进行水印嵌入和属性值修改；
[0021]S6：对矩阵的空白集合重复上述步骤S1一S5，得到嵌入水印信息的数据库。
[0022]进一步地，所述步骤S1中，所述对数据库数据进行预处理包括：选择数据库中属性值为整数型的属性列，并根据属性名称对所选择的属性列进行升序或降序排序，采用自增主键方式为数据库所有元组添加主键。
[0023]进一步地，所述步骤S2中，对于一个分组中的每个阴影集合属性值x
i，j
，基于其四个相邻像素，执行菱形预测以得出其预测值，预测值的计算公式如下：
[0024][0025]其中，x
i，j
为矩阵第i行、第j列的属性值，预测误差为：
[0026]进一步地，所述步骤S4中，选择频次大于或等于2且右侧为空的图柱作为水印信息嵌入载体。
[0027]进一步地，所述步骤S4中，使用两个二维数组PEA1和PEA2来分别存储所有分组的阴影集合和空白集合中选择的嵌入位置。
[0028]进一步地，所述步骤S4中，对于每个频次大于或等于2且右侧为空的图柱，将对应的属性值分为两组，每组嵌入1bit的水印信息。
[0029]进一步地，所述步骤S5中，属性值修改的计算公式为：
[0030][0031]其中，为pe
i，j
对应的新预测误差值。新的属性值为：
[0032]进一步地，还包括：
[0033]S7：通过基于一维Logistic映射的置乱还原算法，将数据库的元组顺序恢复成原始顺序。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可逆数据库水印的嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对数据库数据进行预处理，并使用基于一维Logistic映射的置乱算法，对数据库元组进行行置乱，并将行置乱后的元组均匀分组；S2：在每个分组中将属性值按顺序排列成矩阵，并将矩阵分为空白集合和阴影集合，对阴影集合的属性值执行菱形预测器以获取预测误差值；S3：对阴影集合的预测误差值绝对值的频数进行统计，构建阴影集合的预测误差直方图；S4：对于阴影集合的预测误差直方图，根据单图柱双比特的嵌入规则确定嵌入载体及其嵌入的水印信息；S5：对于每个属性值，通过直方图平移的方法进行水印嵌入和属性值修改；S6：对矩阵的空白集合重复上述步骤S1
‑
S5，得到嵌入水印信息的数据库。2.根据权利要求1所述的可逆数据库水印的嵌入方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述对数据库数据进行预处理包括：选择数据库中属性值为整数型的属性列，并根据属性名称对所选择的属性列进行升序或降序排序，采用自增主键方式为数据库所有元组添加主键。3.根据权利要求2所述的可逆数据库水印的嵌入方法，其特征在于，所述步骤S2中，对于一个分组中的每个阴影集合属性值x
i，j
，基于其四个相邻像素，执行菱形预测以得出其预测值，预测值的计算公式如下：其中，x
i，j
为矩阵第i行、第j列的属性值，预测误差为：4.根据权利要求3所述的可逆数据库水印的嵌入方法，其特征在于，所述步骤S4中，选择频次大于或等于2且右侧为空的图柱作...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓文法，李程，韩心慧，郭宗明，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：