CN110766592A

CN110766592A - 一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法

Info

Publication number: CN110766592A
Application number: CN201910495466.6A
Authority: CN
Inventors: 王宇; 孙玉新; 孙久运; 石鹏飞; 郭英琦; 党蕊蓉
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-06-10
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2039-06-10
Also published as: CN110766592B

Abstract

本发明公开了一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，该方法通过分析遥感影像纹理特征，提取水印可嵌入区域，利用该区域的纹理构造背景，结合三维立体图技术生成半可见数字水印。该方法选择的可嵌入区域的特征是地物类别单一，纹理特征不太丰富，嵌入水印后不影响遥感影像的分类结果。嵌入的水印为软件生成的三维立体图水印，该水印在遥感影像上具有很好的隐蔽性，只有采用双眼视线不交叉于影像面的观察方法才可以实现立体观察，完成水印的验证。相较于现有的可见水印和不可见水印，本发明公开的半可见水印既能够避免可见水印易于发现易于攻击的问题，又能够解决不可见水印嵌入提取操作复杂、验证困难的问题。

Description

一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法

技术领域

本发明涉及了一种遥感影像数字水印方法，具体为一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法。

背景技术

数字水印技术最早于1993年提出^[1]，其主要原理是在原始载体数据中添加数字水印信息(如版权信息和用户信息等)，使数字水印信息在不影响原始载体的使用价值的情况下成为数据不可分离的一部分。

数字水印技术又被称为“数字化数据保护的最后一道防线”^[2]，发展至今已经广泛应用于图像、视频、音频等多种数字产品的版权保护中。

随着计算机技术和网络技术的快速发展，地图的数字化为地理数据的存储提供了便利，但是数字地图易拷贝和易传播的特性也为非法盗用数据的侵权行为提供了可能，这对企业利益乃至国家安全都造成了严重的影响。我国《测绘法》明确提出“测绘成果保管单位应当采取措施保障测绘成果的完整和安全”“地理信息生产、保管、利用单位应当对属于国家秘密的地理信息的获取、持有、提供、利用情况进行登记并长期保存，实行可追溯管理”^[3],由于地理空间数据对保密性要求较高，数字水印技术逐渐成为地理空间数据加密的重要手段。

根据水印的可见性把目前存在的水印技术分为两类：可见水印与不可见水印。

可见水印是以对人眼可视的方式将水印标识嵌入到遥感影像数据中，嵌入水印后的影像在视觉上可以清楚的看到水印信息，相比不可见水印是一种更直接、更积极的版权保护手段。在遥感影像中嵌入可见水印，前提是必须保证遥感数据的视觉质量与分类效果，因此水印要嵌入在影像中相对不重要的位置。另外，水印的嵌入强度需要根据主影像的局部特征实现自适应。

现有的遥感影像可见水印的处理思路如下：

1、将要嵌入的版权信息转为水印序列W(i,j)；

2、通过一定方法确定水印嵌入强度α，实现和原始影像的自适应；

3、选择合适的嵌入算法，将水印序列W(i,j)嵌入到原始影像I(x,y)中，得到 I_w(x,y)。

现有的遥感影像不可见水印技术的算法有空间域算法和频率域算法。常见的空间域算法有最低有效位算法(LSB)和基于统计思想的Patchwork算法，频率域算法包括离散余弦变换算法(DCT)、离散傅里叶变换算法(DFT)和离散小波变换算法(DWT)。其基本处理思路如下：

1、将要嵌入的版权信息转为水印序列W(i,j)；

2、选择合适的嵌入算法，将水印序列W(i,j)嵌入到原始影像I(x,y)中，得到 I_w(x,y)；

可见水印具有视觉可感知性，嵌入的水印信息往往会影响用户查看遥感影像数据的视觉效果和使用体验，其次可见水印容易被发现并受各种攻击影响，非法用户可以使用一定的手段较为简单地去除水印，因此容易引起版权纠纷，这限制了可见水印的使用范围。

不可见水印的隐藏和提取操作复杂，验证比较困难，需要获取待检测遥感影像的全部或者部分数据才能进行验证。鲁棒性要求较高的水印嵌入强度，而不可见性要求更低的水印嵌入强度，在嵌入强度上难以平衡鲁棒性和不可见性之间的矛盾。

发明内容

发明目的：本发明公开了一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，该方法能够在提高水印鲁棒性的同时，嵌入半可见水印，从而既不会影响原始遥感影响的视觉效果和使用体验，又能够增强数据版权的保护。

技术方案：一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，包括如下步骤：

步骤1)确定水印待嵌入区域的大小；

步骤2)以水印待嵌入区域大小为扫描窗口的大小，使用该扫描窗口对整幅遥感影像进行扫描，计算每次扫描窗口内影像像元的方差；若方差小于最优嵌入位置方差上限值500，且窗口区域为同种地物类型，则认为该区域是低干扰区域，可以作为水印的待嵌入区域；

步骤3)以水印待嵌入区域大小为扫描窗口的大小，使用该扫描窗口对选定的水印的待嵌入区域进行扫描，计算每次扫描窗口内影像像元的方差；若方差大于最优嵌入位置方差下限值200，则窗口区域的纹理特征符合作为背景图元的要求，作为最优嵌入位置；若扫描完毕没有符合方差要求的区域，则将扫描窗口缩小1/4，重新扫描待嵌入区域，并验证窗口区域的方差是否符合要求，若仍不符合要求，将水印待嵌入区域缩小到当前扫描窗口大小并跳至步骤2)，直到找到合适的最优嵌入位置；

步骤4)将待嵌入的水印图像制作成合适大小的三维图元；

步骤5)将背景图元通过平铺的方式生成完整的背景图，嵌入三维图元，得到隐藏图元信息的三维立体图水印；

步骤6)将三维立体图水印的大小调整为水印待嵌入区域的大小，然后将三维立体图水印嵌入步骤3)选定的最优嵌入位置；

步骤7)将三维立体图水印嵌入遥感影像中，嵌入思路是将原始遥感影像待嵌入区域的像元替换为三维立体图水印像元。

步骤8)：为了进一步保证水印成功嵌入，对水印嵌入前后的遥感图像分别进行监督分类处理，得到分类结果α、β，将原始影像的监督分类验证样本roi 文件对分类结果分别进行精度验证，若两者分类精度的kappa系数均在该工程要求范围内，则水印嵌入影响可忽略，该水印判定为成功嵌入。

具体的，步骤4)的三维图元即将其调整为背景色为白色、图案部分为单一纯色的图像，三维图元即为可以在三维立体图中立体显示的事物。

具体的，步骤3)中若扫描完毕没有符合方差要求的区域，则将扫描窗口缩小为原来的1/4。

具体的，步骤6)可将地物类型与背景图元地物类型相同的区域作为次级嵌入位置。

有益效果：本发明提供的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，该方法利用生理视差原理，有着较为简单的嵌入方法和较低的感知度，因此被获取的几率较小，安全性也较高，从而能够达到有效保护遥感影像版权的目的。

附图说明

图1是原始的遥感图像；

图2为嵌入的数字水印样式；

图3为草地背景和水印生成的三维立体图水印；

图4为嵌入三维立体图之后的遥感影像。

具体实施方式

一种纹理与立体画技术结合的遥感影像低干扰半可见水印方法，包括如下步骤：

步骤1：选定水印嵌入区域大小。在对视觉不产生较大影响的情况下，确定水印待嵌入区域的大小。

步骤2：确定水印待嵌入区域。以水印待嵌入区域大小为扫描窗口的大小，使用该扫描窗口对整幅遥感影像(图1)进行扫描，计算每次扫描窗口内影像像元的方差。若方差小于500，且窗口区域为同种地物类型，则认为该区域是低干扰区域，在该区域嵌入水印不会对遥感影像产生太多干扰，影响遥感影像的分类结果，也不会对遥感影像的视觉效果造成太大影响，降低了水印被发现的几率，可以作为水印的待嵌入区域。

步骤3：寻找背景图元。以水印待嵌入区域大小为扫描窗口的大小，使用该扫描窗口对选定的嵌入区域进行扫描，计算每次扫描窗口内影像像元的方差。若方差大于200，则窗口区域的纹理特征符合作为背景图元的要求，作为最优嵌入位置；若扫描完毕没有符合方差要求的区域，则将扫描窗口缩小为原来的1/4，重新扫描待嵌入区域，并验证窗口区域的方差是否符合要求，若仍不符合要求，将水印待嵌入区域缩小到当前扫描窗口大小并跳至步骤2)，直到找到合适的最优嵌入位置；

步骤4：制作三维图元。将待嵌入的水印图像，如图2所示，采用3D Factory 软件制作成合适大小的三维图元，即将其调整为背景色为白色、图案部分为单一纯色的图像。三维图元即为可以在三维立体图中立体显示的事物。

步骤5：制作三维立体图水印。将背景图元通过平铺的方式生成完整的背景图，嵌入三维图元，得到隐藏图元信息的三维立体图水印,如图3所示。

步骤6：确定两种水印嵌入位置。将三维立体图水印的大小调整为水印待嵌入区域的大小，然后将三维立体图水印嵌入步骤3)选定的最优嵌入位置。为了提高水印的鲁棒性，可将该水印嵌入影像中的其它位置，但需要满足被嵌入区域地物类型与背景图元地物类型相同，那么认为该区域为次级嵌入位置。

步骤7：水印嵌入。将三维立体图水印嵌入遥感影像中，嵌入结果如图4所示。嵌入思路是将原始遥感影像待嵌入区域的像元替换为三维立体图水印像元，具体嵌入程序如下：

步骤8：观察水印。把目光范围散落在三维立体图正中间四分之三的区域，视线的焦点落在图片最中心。将视线焦点朝向图片后方极慢速移动，当视线焦点到达后方正确的位置时，会产生图片纹理渐渐分为前后两层的视错觉，背景层为后层，较为清晰，若图案层(前层)仍不清晰，需要再次前后小幅度移动视线的焦点，找到最佳位置可看到图片中前层的事物，即三维的水印信息。

步骤9：结果检核。对水印嵌入前后的遥感图像分别进行监督分类处理，得到分类结果α、β，将原始影像的监督分类验证样本roi文件对分类结果分别进行精度验证，若两者分类精度的kappa系数均在该工程要求范围内，则水印嵌入影响可忽略，该水印判定为成功嵌入。

对于最优嵌入位置方差上限值500和下限值200确定实验：

本实验选择的水印嵌入区域为：遥感影像上像素方差范围在200至500之间的区域。

实验方法：

1、将大小为2048*1024的遥感影像分割为512幅64*64的影像，计算每一幅影像的方差值，并将遥感影像按照方差从小到大排序。

2、通过目视判断，方差大于500的影像地物类别一般不单一，且细节信息很多，因此确定方差为500的区域是水印可嵌入区域像素方差阈值的上限。

3、方差小于500的影像，按照二分像素方差的方法抽样选择部分影像，嵌入三维立体图水印，以是否能观察到立体水印为判断依据，发现方差大于200 的影像制作出的立体水印图能够产生较好的立体视觉，因此方差为200的区域是水印可嵌入区域像素方差的阈值下限。

Claims

1.一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:包括如下步骤：

步骤1)确定水印待嵌入区域的大小；

步骤2)以水印待嵌入区域大小为扫描窗口的大小，使用该扫描窗口对整幅遥感影像进行扫描，计算每次扫描窗口内影像像元的方差；若方差小于最优嵌入位置方差上限值，且窗口区域为同种地物类型，则认为该区域是低干扰区，可以作为水印的待嵌入区域；

步骤3)以水印待嵌入区域大小为扫描窗口的大小，使用该扫描窗口对步骤2)选定的水印的待嵌入区域进行扫描，计算每次扫描窗口内影像像元的方差；若方差大于最优嵌入位置方差下限值，则窗口区域的纹理特征符合作为背景图元的要求，作为最优嵌入位置；若扫描完毕没有符合方差要求的区域，则将扫描窗口缩小，重新扫描待嵌入区域，并验证窗口区域的方差是否符合要求，若仍不符合要求，将水印待嵌入区域缩小到当前扫描窗口大小并跳至步骤2)，直到找到合适的最优嵌入位置；

步骤4)将待嵌入的水印图像制作成合适大小的三维图元；

2.根据权利要求1所述的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:所述步骤4)的三维图元即将其调整为背景色为白色、图案部分为单一纯色的图像，三维图元即为可以在三维立体图中立体显示的事物。

3.根据权利要求1所述的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:所述步骤4)使用3D Factory软件制作三维图元。

4.根据权利要求1所述的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:所述步骤3)中若扫描完毕没有符合方差要求的区域，则将扫描窗口缩小为原来的1/4。

5.根据权利要求1所述的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:所述步骤6)将地物类型与背景图元地物类型相同的区域作为次级嵌入位置。

6.根据权利要求1所述的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:还包括步骤8)：对水印嵌入前后的遥感图像分别进行监督分类处理，得到分类结果α、β，将原始影像的监督分类验证样本roi文件对分类结果分别进行精度验证，若两者分类精度的kappa系数均在该工程要求范围内，则水印嵌入影响可忽略，该水印判定为成功嵌入。

7.根据权利要求1所述的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:所述步骤2)最优嵌入位置方差上限值为500。

8.根据权利要求1所述的一种纹理与立体画技术结合的遥感影像半可见水印方法，其特征在于:所述步骤3)最优嵌入位置方差下限值为200。