CN102156952A - 一种面向版权保护服务的遥感影像数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于映射机制的遥感影像数字水印嵌入和检测算法，属于地理信息版权保护的技术领域。本发明的方法基于对遥感影像几何攻击的分析，根据在影像经过裁剪后，影像的像元值没有发生改变，只是坐标位置发生了移动，通过扩展映射参数，建立遥感影像数据与水印信息之间的多对一的映射关系，确定水印的嵌入位置。该方法充分利用了遥感影像的像元值在几何攻击前后的特性，解决了水印信息不同步的问题，从而大大提高了算法的鲁棒性，解决了目前遥感影像算法无法抵抗裁剪和旋转等几何攻击的问题。

Description

一种面向版权保护服务的遥感影像数字水印方法

技术领域

本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种针对遥感影像数据的采用映射机制的数字水印嵌入与检测方法，以提高遥感影像数字水印算法抗几何攻击能力。

背景技术

遥感影像是重要的基础测绘成果，也是国家与省级基础测绘保障服务的数据源之一，已经逐渐成为地理空间信息获取的主要数据源。随着国家空间数据基础设施建设的深入，地理信息系统(GIS)技术的成熟与广泛应用，遥感影像在国家重大工程建设、军事侦察、动态监测重要目标、灾害应急与处理、国土监察等方面具有重要的应用价值。

近年来，随着数字化和网络化时代的飞速发展，数字遥感影像的存储、传输、复制都变得非常方便快捷。遥感数据的非法拷贝和复制，不仅会造成遥感图像的所有者蒙受巨大经济损失，更会危及国家安全、国防安全等。这使得数据拥有者不愿轻易公开或发布其产品，不愿共享，不敢共享，严重阻碍了地理信息产业的发展。因此，如何保护遥感数据的安全与知识产权已成为迫在眉睫的问题。

数字水印技术作为一种崭新的信息安全技术，为遥感影像的安全保护提供了一种切实可行的解决途径。数字水印是指在数字化数据中嵌入水印信息，将水印信息与源数据融为一体，成为源数据不可分离的一部分。由此来确定版权拥有者、所有权认证、跟踪侵权行为、认证数字内容来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其他附加信息等。同时对于加强责任心、震慑非法行为、有据可查快查等具有重要作用。数字水印技术在军事安全保障、国家安全方面发挥的作用已经受到国家政府机关的高度重视。

数字水印在图像、图形、视频、音频等领域的安全保护方面取得了许多的应用，近几年在测绘相关领域也得到了重要的应用。

在遥感影像数字水印方面，已有一些研究。Barni(Near Lossless DigitalWatermarking for Copyright Protection of Remotely Sensed Images[C].Toronto，Canada：2002)提出了近无损的遥感影像水印方法，将水印嵌入到了变换域中，采用空间域修剪的方式将误差进行了有效控制。Kbaier(Novel Content PreservingWatermarking Scheme for Multipectral Images[C].2006：322-327)提出了一种适用于多光谱的基于DWT的数字水印算法，水印检测效果较好，对剪切与滤波等具有较好的鲁棒性。耿迅(基于HVS和整数小波变换的遥感图像水印算法[J].测绘通报.2007(8)：20-22.)结合人眼视觉系统与整数小波变换，提出一种用于遥感图像版权保护的数字水印算法。陈辉(数字水印技术应用于遥感图像版权保护的评测标准研究[J].物探化探计算技术.2008，30(5)：436-441.)研究了将数字水印技术应用于遥感图像版权保护的评测标准，指出了普通图像仅仅是″Picture″，只是满足人类视觉的需要，而遥感图像除了本身作为″Picture″之外，还包含有″Data″。

分辨率是遥感影像的一个很重要的特征，不同分辨率的影像其市场价格也完全不一样。分辨率越高，其价格越贵，从一幅具有较高分辨率的影像中裁剪下一部分后的影像仍然具有较高的价值，因此，遥感影像水印算法对裁剪攻击需要具有非常强的抵抗性。而现有的水印技术在抵抗裁剪攻击方面不理想，通常许多算法所做的裁剪实验也只是在像素坐标和图像大小没有发生改变的情况下进行的，此时的操作可以成为删除操作，实际上只是如附图2和3所示。

可是真正的从遥感影像中进行裁剪攻击后，影像的大小和坐标位置都会发生改变，如附图2和4所示。而此时利用目前现有的一些算法是无法提取出水印信息的。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前遥感影像水印技术无法解决水印信息定位、难以抵抗任意位置裁剪和更改影像大小的旋转等几何攻击、鲁棒性差等问题，提出一种基于映射机制的遥感影像数据的数字水印方法，使得水印算法在抵抗裁剪、旋转、平移、缩放、扭曲、噪声、滤波等攻击方面具有好的鲁棒性。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

一种面向版权保护服务的遥感影像数字水印方法，包括以下过程：

(1)水印信息生成

步骤一：采用伪随机数发生器生成一个具有唯一标识的水印种子数WMSeed；

步骤二：采用线性同余随机序列发生器，将生成的水印种子WMSeed作为密钥Key生成一个具有均匀分布的-1和1序列，其中，即为生成的无意义水印信息：W＝G(Key)＝{-1，1}；

步骤三：建立有意义水印信息W和水印种子WMSeed的参照表；

(2)映射扩展机制

步骤一：建立根据影像数据I映射水印序列W的函数，f(I)＝W

步骤二：确定定位至某一水印位的像元个数，即映射水印容差L，为了获得更好的鲁棒性，L≥3；

步骤三：针对单通道的遥感影像建立扩展变量将影像数据I像元取值范围由[0，255]扩展为[0，255]*[0，255]；

步骤四：扩展变量取为邻域窗口均值变量c，窗口均值参数c定义如下：

$c(m,n)=\frac{1}{k\×l}\underset{i=m-k^{\′}}{\overset{i=m+k^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=n-l^{\′}}{\overset{j=n+l^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)$

其中，(m，n)表示影像的行列号，k和l表示窗口大小，k′＝[k/2]，l′＝[l/2]，“[]”表示取整，c的取值范围为[0，255]；

步骤六：将影像数据I像元值和扩展变量c与水印序列W进行定位，建立定位函数f(I，c)＝W；

(3)水印嵌入过程

步骤一：数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的遥感影像数据，获取数据的大小，判断数据是否需要进行分块处理；

步骤二：影像数据与水印信息的同步动态定位函数的建立；获取中心像元值及其领域窗口均值，并作为同步动态定位函数的输入参数与水印信息；

步骤三：基于量化的水印嵌入规则嵌入水印；

步骤四：保存嵌入水印信息后的影像数据；

(4)水印检测过程，为所述(3)水印嵌入过程的逆过程：

步骤一：数据的读取和处理，读取含水印信息的遥感影像数据，获取数据的大小，判断数据是否需要进行分块处理；

步骤二：影像数据与水印信息的同步动态定位函数的建立；获取中心像元值及其邻域窗口均值，并作为同步动态定位函数的输入参数与水印信息；

步骤三：基于量化的水印检测规则检测水印；

步骤四：计算提取的水印信息与原始水印信息的相关系数；

步骤五：水印检测结果输出。

本发明基于映射机制建立遥感影像数据与水印信息之间的多对一映射关系，有效提高了遥感影像数字水印算法的抗几何攻击能力。该方法鲁棒性强，可用于遥感影像版权保护服务中。

附图说明

图1是本发明方法的水印嵌入流程图。

图2是现有技术中的一幅原始影像。

图3是图2被删除攻击后的影像。

图4是图2被裁剪攻击后的影像。

图5是本发明方法的水印检测流程图。

图6是本发明方法实施例测试的遥感影像图。

图7是图6嵌入水印后的效果图。

图8是图7被裁剪攻击的结果图。

图9是图7被旋转攻击的结果图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例选择单波段的遥感影像数据为实验数据，针对数据的读取、预处理、水印信息生成、水印嵌入、含水印数据保存、水印检测、检测结果输出的整个过程，给出本发明的一个实施例，进一步详细说明本发明。

如图6，本实施例选择一幅1700×1000的单通道遥感影像数据作为实验数据，数据格式为geotif。

1.水印信息生成：

步骤一：输入待嵌入的水印信息，本实施例的水印信息为：吉印水印。

步骤二：采用伪随机序列发生器生成随机数，本实施例生成的随机数为：-89564642472。

步骤三：采用生成的随机数生成无意义水印信息，本实施例生成的水印信息为：10010111011100101…1001101，长度为100位。

2.遥感影像数据与水印信息的映射机制建立：

步骤一：采用GDAL库读取实验遥感影像数据。

步骤二：获取遥感影像中心像元值和邻域窗口均值。

步骤三：获得无意义水印信息的长度。

步骤四：将影像数据I像元值和扩展变量c与水印序列W进行定位，建立映射函数f(I，c)＝W。假设水印长度为N，此时影像数据(I，c)映射到[0，N-1]上，即：映射函数f(I，c)∈[0，N-1]。

3.基于映射机制的遥感影像数据水印嵌入规则：

步骤一：计算量化值λ_ij＝round(I_ij/δ)。其中，round运算为舍入取整操作，δ为量化步长。

步骤二：利用映射函数确定嵌入的水印位置，即：Loc(W)＝f(I，c)。

步骤三：获取当前的水印信息w＝W(Loc(W))。

步骤四：利用水印信息w调制当前像元值I_ij。

步骤五：对读入的影像数据遍历一次。

步骤六：保存嵌入水印后的影像。

4.基于映射机制的遥感影像数据水印检测规则：

步骤一：采用GDAL库读取待检测影像。

步骤二：初始化检测的水印信息，将100位的水印信息全部设置为0，即W′＝{0}。

步骤三：计算量化值λ′_ij＝floor(I′_ij/δ)。其中，floor为向下取整操作。

${W_{\mathrm{ij}}}^{\′}=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{mod}({{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}}^{\′},2)=1\\ -1,\mathrm{mod}({{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}}^{\′},2)=0\end{array}\right.$

步骤四：构建待检测影像数据与水印位的映射函数，即：Loc(W′)＝f(I′，c′)。

步骤五：对读入的待检测影像遍历一次。

步骤六：采用多数原则确定每一位的水印信息。即根据这些水印信息值为-1和1的多数来决定提取出的水印W′_i，若这些值一半以上为1，则W′_i取值为1；否则，W′_i取值为-1。此时，便得到了水印信息W′。

步骤七：根据建立的有意义水印和无意义水印之间的映射表，提取出水印信息。

5.本方法的特点与技术优势

(1)本方法中最为关键的是水印的嵌入位置确定，通过影像数据与水印信息建立的多对一函数关系，很好的确立了水印的嵌入位置，并将一个水印位同时嵌入到了多个影像数据中。

(2)嵌入位置与影像数据的像元值密切相关，遥感影像在经过裁剪攻击后，像元值的大小并未发生改变，只是坐标位置发生了一定的移动。因而，基于这一像素值在裁剪前后不变的特性，将影像数据与水印信息建立了多对一的映射关系。从而，影像在裁剪前后，这一映射关系未发生任何改变。

(3)由于将同一位水印信息同时嵌入到了影像中的多个位置和多个像元值中，因而，该方法可以很好的抵抗裁剪、旋转、缩放、平移等几何攻击。

6.测试与分析

本发明所提出的方法是专门针对遥感影像的水印方法，采用该方法可以开发并实现基于数字水印技术的遥感影像数据版权保护系统。

(1)格式转换攻击

将保存的tif含水印影像另存为.bmp或.jpg或.img或.png格式的数据，数据的容量大小、头文件都会发生改变，但是这些攻击并未改变影像的像元值，因而可以有效提取出水印信息。实验结果表明，该方法可以有效抵抗格式转换攻击，且提取率都为100％。

(2)裁剪攻击

裁剪攻击是遥感影像水印方法中遭受的较为严厉的攻击方式，裁剪后影像的大小和相对位置都发生了改变，此时的水印信息并未消失，但是破坏了水印信息与嵌入位置的同步关系，从而导致无法正确提取水印信息。本方法采用影像数据和水印之间的映射关系，从而可以有效解决水印信息不同步的问题。将含水印影像进行裁剪，裁剪的位置为任意的，裁剪的效果如图8。实验结果表明，即使裁剪到原始影像的(10％)时，水印信息仍然可以正确提取出，实验中水印的提取率为100％。

(3)旋转攻击

旋转在几何纠正过程中也是常见的一种攻击方式，一般除了90°倍数的旋转角度外，影像的大小都会增大，像素值也会发生一定的改变，存在着插值操作，但是像素的该变量不大。因而，采用本方法利用影像数据进行水印的定位可以实现抗旋转攻击。实验结果表明，在进行90°倍数的旋转角度时，相关系数都为1，其他角度的旋转攻击都可以很好抵抗，如图9，实验中水印的提取率为100％。

(4)加噪攻击

噪声在一定程度上可以改变影像的视觉效果，如果噪声幅度不大的情况下，不会对影像的质量造成致命性的破坏。对含水印影像进行了椒盐噪声和高斯噪声，实验结果表明，本方法都可以有效抵抗加噪攻击，实验中水印的提取率为100％。

(5)滤波攻击

滤波操作常常用来增强影像的视觉效果，中值滤波是常见的操作。对含水印影像进行了中值滤波，实验结果表明，水印信息可以正确提取。

(6)平移攻击

平移操作是将影像内的像素点沿直线方向从一个位置移动到另一个位置中，由于平移只是像素空间位置的改变，并未发生重采样操作，因此不会修改影像的像素值。在一定意义上来说，平移操作相当于是裁剪攻击，所以采用本方法可以有效抵抗平移攻击。对含水印影像进行了不同方向，不同强度的平移操作，实验结果表明，本方法能够有效抵抗平移攻击，实验中水印的提取率为100％。

Claims (2)

1.一种面向版权保护服务的遥感影像数字水印方法，其特征在于包括以下过程：

(1)水印信息生成

步骤一：采用伪随机数发生器生成一个具有唯一标识的水印种子数WMSeed；

步骤二：采用线性同余随机序列发生器，将生成的水印种子WMSeed作为密钥Key生成一个具有均匀分布的-1和1序列，其中，

即为生成的无意义水印信息：W＝G(Key)＝{-1，1}；

步骤三：建立有意义水印信息W和水印种子WMSeed的参照表；

(2)映射扩展机制

步骤一：建立根据影像数据I映射水印序列W的函数，f(I)＝W

步骤二：确定定位至某一水印位的像元个数，即映射水印容差L，为了获得更好的鲁棒性，L≥3；

步骤三：针对单通道的遥感影像建立扩展变量将影像数据I像元取值范围由[0，255]扩展为[0，255]*[0，255]；

步骤四：扩展变量取为邻域窗口均值变量c，窗口均值参数c定义如下：

$c(m,n)=\frac{1}{k\×l}\underset{i=m-k^{\′}}{\overset{i=m+k^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=n-l^{\′}}{\overset{j=n+l^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)$

其中，(m，n)表示影像的行列号，k和l表示窗口大小，k′＝[k/2]，l′＝[l/2]，“[]”表示取整，c的取值范围为[0，255]；

步骤六：将影像数据I像元值和扩展变量c与水印序列W进行定位，建立定位函数f(I，c)＝W；

(3)水印嵌入过程

步骤一：数据的读取和处理，读取待嵌入水印信息的遥感影像数据，获取数据的大小，判断数据是否需要进行分块处理；

步骤二：影像数据与水印信息的同步动态定位函数的建立；获取中心像元值及其领域窗口均值，并作为同步动态定位函数的输入参数与水印信息；

步骤三：基于量化的水印嵌入规则嵌入水印；

步骤四：保存嵌入水印信息后的影像数据；

(4)水印检测过程，为所述(3)水印嵌入过程的逆过程：

步骤一：数据的读取和处理，读取含水印信息的遥感影像数据，获取数据的大小，判断数据是否需要进行分块处理；

步骤二：影像数据与水印信息的同步动态定位函数的建立；获取中心像元值及其邻域窗口均值，并作为同步动态定位函数的输入参数与水印信息；

步骤三：基于量化的水印检测规则检测水印；

步骤四：计算提取的水印信息与原始水印信息的相关系数；

步骤五：水印检测结果输出。

2.根据权利要求1所述的一种面向版权保护服务的遥感影像数字水印方法，其特征在于，所述过程(2)映射扩展机制步骤四中的窗口大小为：k＝l＝5。

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