CN103955634A - 基于数字水印技术的针对瓦片遥感数据的版权保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字水印技术的针对瓦片遥感数据的版权保护方法，属于地理信息版权保护的技术领域。本发明的方法基于对瓦片遥感数据特征及其对版权保护的需求进行了分析，拼接后的含水印遥感数据没有丢失水印信息，只是坐标位置发生了改变，通过建立的水印嵌入规则有效保证了原始数据与水印信息之间的同步关系。在进行水印检测时，采用四叉树搜索机制来快速、准确定位含有水印信息的影像块，在该影像块中进行水印信息的提取。该方法充分利用了瓦片遥感数据的像元值在拼接前后的特性，解决了拼接后水印信息的正确提取，极大的提高了水印算法的鲁棒性，解决了目前瓦片数据无法抵抗拼接攻击的问题，有效保护了瓦片数据的版权问题。

Description

基于数字水印技术的针对瓦片遥感数据的版权保护方法

技术领域

本发明属于地理信息版权保护领域，具体涉及一种针对瓦片遥感影像数据的采用四叉树法的数字水印方法，以提高遥感影像数字水印算法抗拼接能力，实现瓦片遥感数据的版权保护。

背景技术

随着网络技术的发展，地理数据的应用更加广泛，许多网站如百度、谷歌等都提供电子地图服务，特别是以Google Earth为代表的地理数据发布软件的大众化，极大地推动了地理信息产业的发展。我国也在大力发展网络地理信息服务，国家测绘地理信息局联合全国各省市开发了“天地图”网站，积极推动了地理信息资源共建共享，在很短时间内，实现了全国多尺度、多类型的资源综合利用和在线服务，开通4天访问人数就高达460多万人次。目前，网络环境下地理数据服务呈现迅猛发展态势。

网络环境下地理数据通常是以切片的形式存放于服务端，切片大小是256*256的像素。瓦片金字塔是一种多分辨率数据模型，其核心是分层和分块，将原始数据按照不同分辨率重采样产生新的图层，同一图层按指定的网格大小进行均匀剖分即得瓦片。首先是将原始的影像数据建立影像金字塔，然后将每个级别影像金字塔按照固定的大小生成瓦片遥感数据，以图片文件的形式存储在服务器的硬盘目录下。系统根据用户选择范围加载瓦片遥感数据，比传统的实时渲染方式响应速度更快，更加方便快捷，是目前网络环境中常用方法。瓦片遥感数据还具有数据量巨大、更新快特点，例如“天地图”网站，主节点与分节点的总瓦片数高达百亿片。但是，这种瓦片储存方式的数据存在一个致命弱点，即是十分易于下载，以致目前地理数据非法下载、非法使用、非法谋利等安全问题日益严重和突出，严重危害了数据拥有者的权益，扰乱了地理信息产业的正常发展。采用有效的技术手段保护网络环境下瓦片遥感数据的版权是目前迫切需要解决的问题。

数字水印技术是信息安全的前沿技术，它将水印信息与载体数据紧密结合并隐藏其中，成为载体数据不可分离的一部分，由此来确定版权拥有者、跟踪侵权行为、认证数字内容真实性、提供关于数字内容的其他附加信息等。

数字水印技术发展于上世纪90年代中期，目前在图像、视频、音频等领域的安全保护方面发展得较为成熟，并取得了许多成功应用。近年来，在地理数据安全保护方面，数字水印得到了高度的关注，也取得了许多重要成果，为地理数据安全保护做出了重要贡献。然而，从目前的研究来看，针对瓦片遥感数据特点的数字水印技术研究还很缺乏。

在网络环境中实施有效的瓦片遥感数据的版权保护和信息安全手段成为测绘数字化应用领域的一个新问题，具有十分重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前瓦片遥感数据水印技术无法解决水印信息同步、难以抵抗拼接攻击，无法有效保护瓦片遥感数据版权问题，将代表版权的文字水印信息转换为成二值序列，嵌入到数据中。提出一种基于四叉树搜索的抗拼接水印算法，实现了瓦片遥感数据的全盲水印嵌入和检测。使得水印算法在保持抗几何攻击基础上，能有效抵抗瓦片数据的拼接攻击，从而提高了算法的鲁棒性。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

基于数字水印技术的针对瓦片遥感数据的版权保护方法，包括以下过程：

(1)水印信息生成

步骤一：读取有意义的文字信息；

步骤二：按照编码方式将读取的文字信息转换成二进制序列W＝{0,1}，转换得到的序列长度为Length；

步骤三：将生成的二进制序列进行扩频为长度为N的序列，Length≤N；嵌入的水印信息长度为一个固定值，当实际生成的二进制长度未能达到最大长度时，用固定的水印位对二进制序列进行补齐；

步骤四：对扩频的二值序列置乱加密，得到的二值序列即为嵌入的水印信息W₀；

(2)水印嵌入

步骤一：确定水印信息的嵌入位置；

步骤二：建立水印信息位与瓦片遥感数据之间的多对一映射函数，即确定函数I_w＝f(x,y)，其中，I_w表示水印的嵌入位，(x,y)分别表示遥感数据灰度值及其窗口均值参数；

步骤三：建立嵌入规则，水印信息的嵌入方式表示为：根据建立的映射函数确立在像素值x处嵌入水印信息W₀，表示水印的嵌入规则；

步骤四：保存嵌入水印信息后的影像数据；

(3)水印检测过程，为所述(2)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，获取影像的大小；

步骤二：把遥感影像数据均匀分成四块，采用四叉树分块递归进行水印检测，分别计算每一块的相关系数进行搜索和定位含水印的数据载体，并记录相关系数大的块信息；

步骤三：对选取的块再次进行均匀分块；

步骤四：跳出条件是，相关系数大的块影像的相关系数值大于预先设定的阈值，或者是四叉树分割后的影像块大小小于等于预先设定的最小分块大小。

在所述(1)水印信息生成过程中，步骤二具体包括：根据步骤一，通过用计算机编程语言实现文字的读写和识别有意义的文字，采用可逆的编码方式，将有意义的文字信息转化成二进制序列，采用这种方式生成的水印信息具有可逆性，在进行水印信息提取时，可将提取到的二值序列进行逆编码从而得到文字信息，实现全盲水印。步骤三具体包括：每次输入文字信息时字符长度可能不一样，为了实现全盲检测，嵌入的水印信息长度应该是一个固定值。网上发布的瓦片遥感数据主要是为了确定版权信息，如：天地图，字符长度并不长，因此设定一个相对较大的水印长度是完全可行的。例如设定水印的最大长度为960位，可以最大程度的嵌入60个汉字或120个英文字母，足以满足实际应用的需求。当实际生成的二进制长度未能达到最大长度时，用固定的水印位(如：1)对二进制序列进行补齐。

在所述(2)水印嵌入过程中，步骤一是水印嵌入过程中首要考虑的问题。步骤二具体包括：映射函数I_w＝f(x,y)具有两个参数，即x和y所组成的有序对(x,y)，水印位I_w的值与两个输入相关。函数中，函数中，两个自变量分别代表两个通道相应位置像素值的邻域均值。邻域范围定义为7×7，定义域均为：[0,255]，因变量的值域为：[0,N-1]。通过这样建立的函数对应关系，可以确定相同的遥感数据对应同一个水印位信息，从而有效保证了数据与水印位之间的同步关系。步骤三具体包括：采用量化的嵌入规则，有效保证了水印的盲检测。

在所述(3)水印检测过程中，步骤二和步骤三具体包括：在二维空间中，通过不断的进行四叉树分块，不含水印的影像块可以被快速排除，从而迅速缩短搜索区间，以便找出含有水印信息的影像块，提高了算法的效率。步骤四中，最小分块大小的的确定没有统一的确定指标，根据实验适用性的分析，将最小块大小定为256×256，阈值定为0.5。

本发明基于映射函数将瓦片遥感数据与水印信息建立了多对一的函数关系，解决了水印信息拼接后不同步的问题，为瓦片数据抗拼接攻击提供了前提，基于四叉树的搜索机制能够快速、准确的定位到含水印影像块，有效提高了水印算法的抗攻击能力，解决了瓦片遥感数据版权保护问题。该方法鲁棒性强，适用于瓦片遥感数据版权保护中。

附图说明

图1是本发明方法的水印嵌入与检测流程图。

图2是一次四叉树分块原理图。

图3是二次四叉树分块原理图。

图4是一幅原始瓦片遥感数据。

图5是嵌入的水印信息。

图6是拼接后的瓦片遥感数据。

图7是提取的水印信息。

图8是拼接后提取的水印信息。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例选择三波段的瓦片遥感数据为实验数据，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、搜索影像块、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4，本实施例选择一幅瓦片遥感数据作为实验数据，数据大小为256×256，数据格式为png。

1.水印信息生成：

步骤一：输入待嵌入的文字信息，本实施例的水印信息为：吉印水印，如图5所示。

步骤二：将输入的文字信息采用文字编码机制进行编码，生成二进制序列。

步骤三：扩频生成的二进制序列，采用1扩频所有的数据，长度为1000位。

步骤四：采用置乱方法，将1000位二进制序列进行加密，得到水印信息，用于水印嵌入操作。

2.水印嵌入

步骤一：读取实验的瓦片遥感数据，数据的大小为256×256。

步骤二：获取遥感影像中心像元值和邻域窗口均值，窗口大小设置为7×7。设中心像元值为映射函数的自变量x＝I(i,j)，邻域窗口均值为另一个自变量

步骤三：建立水印位I_w与遥感数据(x,y)的映射函数，I_w＝f(x,y)。该映射函数应该尽可能的在上[0,N-1]满映射。建立的映射函数表达式为：

步骤四：采用量化的方式进行水印嵌入，遍历整个瓦片数据进行水印嵌入。

步骤五：保存嵌入水印后的瓦片数据。

3.基于四叉树法搜索机制的遥感数据水印检测规则：

步骤一：读取待检测遥感数据，并获取待检测数据的大小M×N。

步骤二：初始化检测的水印信息，将1000位的水印信息全部设置为0，即W′＝{0}。

步骤三：判断M×N与256×256之间的大小关系。如果大于，则进行步骤四，否则，直接检测水印，输出结果。

步骤四：进行四叉树分块，对每一块分别进行水印检测，保留相关系数大的那一部分影像。

步骤五：输出检测结果。

本发明所提出的方法是专门针对瓦片遥感数据的版权保护方法，在进行水印检测时，采用四叉树搜索机制进行搜索含有水印的影像块，有效剔除了不含有水印信息影像块的影响，也能快速、准确的搜索到含有水印的影像块。可以看出，采用四叉树法进行搜索含水印影像块的方法可以有效抵抗拼接攻击，水印算法的鲁棒性也得到了较大的提高。

6.测试与分析

本发明所提出的方法是专门针对瓦片遥感数据的水印方法，采用该方法可以开发并实现基于数字水印技术的瓦片遥感数据版权保护系统。

(1)瓦片遥感数据提取水印

对嵌入水印后的瓦片遥感数据进行水印信息提取，如果瓦片遥感数据大小为256×256则直接进行水印信息提取。实验结果表明，该方法可以准确的提取水印信息，且提取率都为100％。

(2)格式转换攻击

将保存的png含水印影像另存为.bmp或.GIF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％。

(3)拼接攻击

瓦片遥感数据在使用过程中，往往需要进行拼接处理，拼接后遥感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，然而如何准确定位水印信息的嵌入位置成为解决的关键。本方法基于四叉树法进行水印嵌入位置的搜索，可以快速准确的定位嵌入水印的位置，从而有效提取出水印信息。将四幅含水印的瓦片遥感数据进行拼接，其中一幅数据不含有水印信息，拼接的效果如图6所示。实验结果表明，拼接后水印信息仍然可以正确提取出，实验中水印的提取率为100％。

Claims (3)

1.基于数字水印技术的针对瓦片遥感数据的版权保护方法，其特征在于，包括以下过程：

(1)水印信息生成

步骤一：读取有意义的文字信息；

步骤二：按照编码方式将读取的文字信息转换成二进制序列W＝{0,1}，转换得到的序列长度为Length；

步骤三：将生成的二进制序列进行扩频为长度为N的序列，Length≤N；嵌入的水印信息长度为一个固定值，当实际生成的二进制长度未能达到最大长度时，用固定的水印位对二进制序列进行补齐；

步骤四：对扩频的二值序列置乱加密，得到的二值序列即为嵌入的水印信息W₀；

(2)水印嵌入

步骤一：确定水印信息的嵌入位置；

步骤二：建立水印信息位与瓦片遥感数据之间的多对一映射函数，即确定函数I_w＝f(x,y)，其中，I_w表示水印的嵌入位，(x,y)分别表示遥感数据灰度值及其窗口均值参数；

步骤三：建立嵌入规则，水印信息的嵌入方式表示为：根据建立的映射函数确立在像素值x处嵌入水印信息W₀，表示水印的嵌入规则；

步骤四：保存嵌入水印信息后的影像数据；

(3)水印检测过程，为所述(2)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，获取影像的大小；

步骤二：把遥感影像数据均匀分成四块，采用四叉树分块递归进行水印检测，分别计算每一块的相关系数进行搜索和定位含水印的数据载体，并记录相关系数大的块信息；

步骤三：对选取的块再次进行均匀分块；

步骤四：跳出条件是，相关系数大的块影像的相关系数值大于预先设定的阈值，或者是四叉树分割后的影像块大小小于等于预先设定的最小分块大小。

2.根据权利要求1所述的基于数字水印技术的针对瓦片遥感数据的版权保护方法，其特征在于，所述(1)水印信息生成过程中，步骤二具体包括：通过用计算机编程语言实现文字的读写和识别有意义的文字，采用可逆的编码方式，将有意义的文字信息转化成二进制序列，采用这种方式生成的水印信息具有可逆性，在进行水印信息提取时，可将提取到的二值序列进行逆编码从而得到文字信息，实现全盲水印。

3.根据权利要求1所述的基于数字水印技术的针对瓦片遥感数据的版权保护方法，其特征在于，所述(3)水印检测过程中，步骤四的最小分块大小为256×256，阈值定为0.5。