CN106228502B - 卫星遥感影像tiff文件的数字水印嵌入和提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入和提取方法，该方法能够对TIFF格式的卫星遥感影像进行认证、防伪、防篡改、保证产品的安全性与完整性保护，该方法支持多密钥，能够确保密钥的安全，进而可以保障数字水印安全可靠。

Description

卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入和提取方法
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，具体涉及一种卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入和提取方法。
背景技术
卫星遥感影像是国家重要的基础性、战略性信息资源，是科学规划、环境保护、资源开发、工程建设、军事作战等工作的重要依据，是信息化建设和可持续发展的基础性工具和重要保障。保障卫星遥感影像的数据信息安全是工程技术人员面临的重要问题。
信息安全加密技术是保护数字产品最常用的方法，该技术的发展比较成熟，在信息社会的各个领域中得到了广泛的应用。利用加密技术将文件进行加密，使文件内容变为密文，这样一来即使文件被非法拦截也无法获取其内容，以此达到保护的目的。然而，加密技术本身存在一些难以克服的缺点，加密后的数据更容易引起攻击者的注意，随着计算机的飞速发展使得密码破译能力越来越强，常规密码的安全性受到了极大的威胁。更严重的是，一旦密码被攻击者破译，数字产品将失去保护，很容易出现盗版侵权、非法访问、恶意篡改等行为。
数字水印技术弥补了传统加密技术的不足，逐渐发展起来。一个完整的数字水印方案一般包括三部分：水印生成、水印嵌入、水印提取或检测。具体来说，数字水印技术实际上是通过对载体媒质分析、水印预处理、水印嵌入位置选择、水印嵌入方式设计、水印提取方式设计等关键环节进行合理优化，在优先满足基本需求的前提下，寻求解决不可感知性、安全可靠性、稳健性主要约束条件下的准最优化设计问题。数字水印嵌入的基本过程如图1所示，其输入的内容包括原始水印信息、原始载体数据和一个可选的密钥，输出的结果是含有水印的数据。水印生成算法应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。密钥可用来加强安全性，以避免未授权的水印恢复或水印提取。由下式可以定义水印嵌入的一般过程：
其中，表示嵌入水印后的数据（即含水印的数据）；为水印嵌入算法；表示原始载体数据；表示原始水印信息；表示密钥集合。这里密钥是可选项，一般用于水印信号的提取。
图2是数字水印提取的一般过程，其过程可以需要原始载体图像或原始水印的参与，也可以不需要这些信息，不同情况下的水印提取过程可以描述如下。
需要原始载体数据时：
需要原始水印时：
没有原始信息时：
其中，表示所提取的水印；为水印提取算法；表示含有水印的数据。
利用上述数字水印技术在对卫星遥感影像TIFF文件进行水印嵌入时，密钥非常的关键，如果密钥长度不够或被窃取，会导致数字水印可能被解密并篡改。
发明内容
本发明的目的是提供一种卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入和提取方法，该方法能够对TIFF格式的卫星遥感影像进行认证、防伪、防篡改、保证产品的安全性与完整性保护，该方法支持多密钥，能够确保密钥的安全，进而可以保障数字水印安全可靠。
为了达到上述的目的，本发明所采取的技术解决方案如下。
一种卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入过程，包括如下步骤：
步骤1：生成卫星遥感影像TIFF文件的数字水印密钥；
步骤2：计算明文水印长度（简称PWL），如果明文水印大于16777215字节，提示用户并终止嵌入，否则转到步骤3；
步骤3：计算密钥长度（简称KL）以及密文水印长度（简称CWL）；
⌈⌉
其中CWL的长度大于或等于PWL的长度；
步骤4：如果TIFF图片容量（简称IL）小于需要嵌入的密文水印容量，提示用户并终止嵌入，否则转步骤5；
其中，表示TIFF图片的宽度，表示TIFF图片的长度。
步骤5：将嵌入的水印长度转化为RGB值，存储到图片第一个像素点；
其中，R、G、B三个数值能组合成一个Color(R, G, B)，将该Color(R, G, B)存储到第一个像素点即可；
步骤6：将密钥流和明文水印流的位置设置为0，将图片位置设置为（1,0），转步骤7开始水印的嵌入工作；
步骤7：从密钥流中的当前位置和相反的位置各取出一个字节，转步骤8；
其中，为密钥流，为密钥位置，为密钥流长度，为密钥流当前位置的字节，为密钥流中与当前位置相反位置的字节；
步骤8：从当前位置的字节计算出要嵌入信息的目标像素点；
其中，、为要嵌入信息的目标像素点的坐标值，为图片宽度，为密钥流中当前位置的字节；
步骤9：从水印流中取出当前位置的字节，与步骤7中的相反位置的字节进行异或运算，得到密文数据，将该密文数据转化为RGB值，并将得到的RGB值写入到图片的相应位置：
其中，WS为水印流、WP为水引流的位置、为密钥流中与当前位置相反位置的字节，计算出的结果为密文数据；
步骤10：如果密钥流中没有数据了，将密钥流的位置重置为0，如果水印流中没有数据了，转步骤11；如果水印流中还有数据转步骤7；
步骤11：嵌入完成。
进一步的，上述步骤1中的卫星遥感影像TIFF文件的数字水印密钥生成过程，包括如下步骤：
步骤1：生成若干个密钥文件Key Files；
步骤2：将步骤1得到的若干个密钥文件内容重新组合，得到临时密钥流Temp KeyStream（简称TKS）；
步骤3：设置密码Password，对步骤2得到的临时密钥流TKS进行保护；
步骤4：对Password进行扩充，扩充方法为在Password后面拼接Password，得到临时密码Temp Password（简称TP），然后检查TP的长度与TKS的长度是否相等，如果不相等，继续在TP后面拼接Password，直至TP的长度与TKS的长度相等为止:
其中，为Password或Password中的前面的若干字符； TP的长度与TKS的长度相等；
步骤5：用TP对临时密钥流TKS进行异或运算，从而得到最终的密钥Key：
此时得到的密钥Key就是卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入、提取过程中所使用的密钥。因为密钥Key是由TP和TKS两部分异或得到的，而TKS又来源于多个密钥文件，即使某些密钥文件被窃取，也不需要担心Key的安全，所以上述密钥Key的密钥空间非常的大，安全性很高。
上述卫星遥感影像TIFF文件的数字水印提取过程，包括如下步骤:
步骤1：从已嵌入文件的第一个像素点中取出水印长度:
其中，R、G、B就是文件第一个像素点提出的Color的相关值，计算的结果CWL即为密文水印的长度，
步骤2：将密钥流和明文水印流的位置设置为0，将图片位置设置为（1,0），转步骤3开始水印的提取工作；
步骤3：从密钥流中的当前位置和相反的位置各取出一个字节，转步骤4；此步骤与数字水印嵌入过程的步骤6相同，
其中，为密钥流，为密钥位置，为密钥流长度，为密钥流当前位置的字节，为密钥流中与当前位置相反位置的字节；
步骤4：从密钥流中的当前位置的字节计算出图片的目标像素点，转步骤5；
其中，、为要嵌入信息的目标像素点的坐标值，为图片宽度，为密钥流中当前位置的字节；
步骤5：从图片的相应位置取出RGB值，与步骤3中得到的密钥流中的相反位置的字节进行异或运算，得到明文数据，将该明文数据写入水印流中；
其中，WS为水印流、WP为水引流的位置、为密钥流中与当前位置相反位置的字节，计算出的结果为明文数据；
步骤6：如果水印流的长度等于1中得到的水印长度了，转步骤7；否则转步骤3；
步骤7：提取过程结束。
本发明支持多密钥，为了确保数字水印的安全，必须确保密钥的安全，所以密钥不能太短，否则不安全；但是密钥比较长的话，用户记忆起来比较困难，本发明将非常长的密钥存储到文件中，另外设置一个简短的密码，将密钥与密码混合运算，确保密钥的安全，用户只需要记忆简短的密码即可。
附图说明
图1 密钥流的生成过程。
图2 TIFF文件密钥流。
图3 计算目标像素点坐标。
图4 数字水印嵌入的基本过程。
图5 数字水印提取的基本过程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入过程，如图4所示，包括如下步骤：
步骤1：生成卫星遥感影像TIFF文件的数字水印密钥, 生成过程如下：1）生成若干个密钥文件Key Files，密文文件的数量以及每个密钥文件的内容均为随机，长度可以不同，为了安全性起见，建议各个密钥文件的长度别太短（大于1024）；2）将若干个密钥文件内容重新组合（如图1所示），得到临时密钥流TKS；组合方法为：依次从每个密钥文件取出一个字节，填充到TKS中，当每个密钥文件的内容取完时，跳过该文件，继续从其他文件中取出相应字节，直至所有密钥文件的内容全部取完为止；此时，已经对密钥做了初步的混淆；3）设置密码Password；此密码Password可以比较短，其目的是对临时密钥流TKS进行保护；4）对Password进行扩充，扩充方法为在Password后面拼接Password，得到临时密码TP，然后检查TP的长度与TKS的长度是否相等，如果不相等，继续在TP后面拼接Password，直至TP的长度与TKS的长度相等为止：
其中，为Password或Password中的前面的若干字符； TP的长度与TKS的长度相等；5）用TP对临时密钥流TKS进行异或运算，从而得到最终的密钥Key，（如图2所示）；
步骤2：计算明文水印长度（简称PWL），如果明文水印太长（大于16777215字节，约16M），提示用户并终止嵌入，否则转到步骤3；
步骤3：计算密钥长度（简称KL）以及密文水印长度（简称CWL）；
⌈⌉
其中CWL的长度大于或等于PWL的长度；
步骤4：如果TIFF图片容量（简称IL）对于需要嵌入的密文水印来说太小（TIFF图片容量（简称IL）小于需要嵌入的密文水印容量），提示用户并终止嵌入，否则转步骤5；
其中，表示TIFF图片的宽度，表示TIFF图片的长度；
步骤5：将嵌入的水印长度转化为RGB值，存储到图片第一个像素点；
其中，R、G、B三个数值能组合成一个Color(R, G, B)，将该Color(R, G, B)存储到第一个像素点即可；
步骤6：将密钥流和明文水印流的位置设置为0，将图片位置设置为（1,0），转步骤7开始水印的嵌入工作；
步骤7：从密钥流中的当前位置和相反的位置各取出一个字节，如图2所示，转步骤8；
其中， ，为密钥位置，为密钥流长度，为密钥流当前位置的字节，为密钥流中与当前位置相反位置的字节；
步骤8：从当前位置的字节计算出要嵌入信息的目标像素点，如图3所示，
其中，、为要嵌入信息的目标像素点的坐标值，为图片宽度，为密钥流中当前位置的字节；
步骤9：从水印流中取出当前位置的字节，与步骤7中的相反位置的字节进行异或运算，得到密文数据，将该密文数据转化为RGB值，并将得到的RGB值写入到图片的相应位置:
其中，WS为水印流、WP为水引流的位置、为密钥流中与当前位置相反位置的字节，计算出的结果为密文数据；
步骤10：如果密钥流中没有数据了，将密钥流的位置重置为0，如果水印流中没有数据了，转步骤11；如果水印流中还有数据转步骤7；
步骤11：嵌入完成。
数字水印的提取过程正好是数字水印嵌入过程的反操作，所以有些步骤是一样的，比如计算嵌入点的坐标等。
卫星遥感影像TIFF文件的数字水印提取过程，如图5所示，包括如下步骤：
步骤1：从已嵌入文件的第一个像素点中取出水印长度；
其中，R、G、B就是文件第一个像素点提出的Color的相关值，计算的结果CWL即为密文水印的长度；
步骤2：将密钥流和明文水印流的位置设置为0，将图片位置设置为（1,0），转步骤3开始水印的提取工作；
步骤3：从密钥流中的当前位置和相反的位置各取出一个字节，转步骤4；此步骤与数字水印嵌入过程的步骤6相同；
其中， ，为密钥位置，为密钥流长度，为密钥流当前位置的字节，为密钥流中与当前位置相反位置的字节；
步骤4：从密钥流中的当前位置的字节计算出要提取信息的目标像素点，如图3所示，转步骤5；
其中，、为要嵌入信息的目标像素点的坐标值，为图片宽度，为密钥流中当前位置的字节；
步骤5：从图片的相应位置取出RGB值，与步骤3中得到的密钥流中的相反位置的字节进行异或运算，得到明文数据，将该明文数据写入水印流中；
其中，WS为水印流、WP为水引流的位置、为密钥流中与当前位置相反位置的字节，计算出的结果为明文数据；
步骤6：如果水印流的长度等于1中得到的水印长度了，说明转7；否则转3；
步骤7：提取过程结束。
本发明所提供的卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入和提取方法能够对TIFF格式的卫星遥感影像进行认证、防伪、防篡改、保证产品的安全性与完整性保护，本发明所述的方法支持多密钥，能够确保密钥的安全，进而可以保障数字水印安全可靠。

Claims (2)

1.一种卫星遥感影像TIFF文件的数字水印嵌入过程，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：生成卫星遥感影像TIFF文件的数字水印密钥；生成过程如下:
1）：生成若干个密钥文件Key Files；
2）：将步骤1得到的若干个密钥文件内容重新组合，得到临时密钥流Temp Key Stream，简称TKS；
3）：设置密码Password，对步骤2得到的临时密钥流TKS进行保护；
4）：对Password进行扩充，扩充方法为在Password后面拼接Password，得到临时密码Temp Password，简称TP，然后检查TP的长度与TKS的长度是否相等，如果不相等，继续在TP后面拼接Password，直至TP的长度与TKS的长度相等为止:
说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\92715dest_path_image024.jpg
其中，说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\251164dest_path_image025.jpg为Password或Password中的前面的若干字符； TP的长度与TKS的长度 相等；
5）：用TP对临时密钥流TKS进行异或运算，从而得到最终的密钥Key：
；
步骤2：计算明文水印长度PWL，如果明文水印大于16777215字节，提示用户并终止嵌入，否则转到步骤3；
步骤3：计算密钥长度KL以及密文水印长度CWL；
说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\630161dest_path_image001.jpg⌈说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\307130dest_path_image002.jpg⌉
其中CWL的长度大于或等于PWL的长度；
步骤4：如果TIFF图片容量IL小于需要嵌入的密文水印容量，提示用户并终止嵌入，否则转步骤5；
其中，说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\762885dest_path_image005.jpg表示TIFF图片的宽度，表示TIFF图片的长度；
步骤5：将嵌入的水印长度转化为RGB值，存储到图片第一个像素点；
说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\801565dest_path_image007.jpg
其中，R、G、B三个数值能组合成一个Color(R, G, B)，将该Color(R, G, B)存储到第一个像素点即可；
步骤6：将密钥流和明文水印流的位置设置为0，将图片位置设置为（1,0），转步骤7开始水印的嵌入工作；
步骤7：从密钥流中的当前位置和相反的位置各取出一个字节，转步骤8；
其中，为密钥流，为密钥位置，为密钥流长度，为密钥流当前位置的字节，为密钥流中与当前位置相反位置的字节；
步骤8：从当前位置的字节计算出要嵌入信息的目标像素点；
说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\928612dest_path_image020.jpg
其中，、为要嵌入信息的目标像素点的坐标值，为图片宽度，为密钥流中当前位置的字节；
步骤9：从水印流中取出当前位置的字节，与步骤7中的相反位置的字节进行异或运算，得到密文数据，将该密文数据转化为RGB值，并将得到的RGB值写入到图片的相应位置：
其中，WS为水印流、WP为水引流的位置、为密钥流中与当前位置相反位置的字节，计算出的结果为密文数据；
步骤10：如果密钥流中没有数据了，将密钥流的位置重置为0，如果水印流中没有数据了，转步骤11；如果水印流中还有数据转步骤7；
步骤11：嵌入完成。
2.一种卫星遥感影像TIFF文件的数字水印的提取过程，其特征在于，包括如下步骤:
步骤1：从已嵌入文件的第一个像素点中取出水印长度:
说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\158781dest_path_image027.jpg
其中，R、G、B就是文件第一个像素点提出的Color的相关值，计算的结果CWL即为密文水印的长度；
步骤2：将密钥流和明文水印流的位置设置为0，将图片位置设置为（1,0），转步骤3开始水印的提取工作；
步骤3：从密钥流中的当前位置和相反的位置各取出一个字节，转步骤4；此步骤与数字水印嵌入过程的步骤6相同，
其中，为密钥流，为密钥位置，为密钥流长度，为密钥流当前位置的字节，为密钥流中与当前位置相反位置的字节，
步骤4：从密钥流中的当前位置的字节计算出图片的目标像素点，转步骤5；
说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\dest_path_image036.jpg
其中，、为要嵌入信息的目标像素点的坐标值，为图片宽度，为密钥流中当前位置的字节，
步骤5：从图片的相应位置取出RGB值，与步骤3中得到的密钥流中的相反位置的字节进行异或运算，得到明文数据，将该明文数据写入水印流中；
说明: 说明: 说明: 说明: 说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\93001fa2-ce1b-4bce-aaae-b5c6adfd6e44\100001\823592dest_path_image026.jpg
其中，WS为水印流、WP为水引流的位置、为密钥流中与当前位置相反 位置的字节，计算出的结果说明: D:\电子申请\cases\inventions\e488a999-aa01-4ea7-a7f8-20bea0d0a3b8\others\920e948a-270b-454a-b5bc-f6f79f8f9875\100001\937660dest_path_image035.jpg为明文数据，
步骤6：如果水印流的长度等于步骤1中得到的水印长度了，转步骤7；否则转步骤3；
步骤7：提取过程结束。
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