CN116823583B - 一种基于遥感影像的水印嵌入与提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于遥感影像的水印嵌入与提取方法，包括：构建环形水印模板；基于所述环形水印模板获取待处理遥感影像水印的嵌入位置；基于待处理遥感影像水印、所述嵌入位置、待处理遥感影像，得到嵌入水印信息后的遥感图像；基于所述嵌入水印信息后的遥感图像提取出水印信息。采用本方法可以精确提取出水印，在抗几何攻击方面鲁棒性表现全面且均衡。

Description

一种基于遥感影像的水印嵌入与提取方法

技术领域

本发明涉及遥感影像技术领域，具体提供一种基于遥感影像的水印嵌入与提取方法。

背景技术

遥感影像是一种具有广泛应用价值的基础性、战略性信息资源，在军事、测绘、工程规划、灾害监测等多个领域发挥着重要作用。随着信息技术的快速发展，地理信息数据网络化、数据共享的需求也越来越大。尤其是高分辨率卫星影像数据、航拍影像数据等更具有保密性。虽然信息技术使得遥感影像数据的分发和共享变得更加便捷，但也带来了数据非法复制、泄密等安全问题。因此，遥感影像的安全保护意义重大。

数字水印技术是一种重要的数据安全保护手段，它可以将包含版权、用户或时间等内容的水印信息嵌入到数字产品中。这些水印信息与载体数据融为一体，以此来保护载体数据的版权，验证数据的真实性和可靠性，追踪盗版侵权行为，并提供附加信息。数字水印技术不仅在常规多媒体数据（如文本、图形、音频、视频）的安全保护方面得到了广泛应用，也在地理空间数据相关领域中发挥着重要作用。

遥感影像的使用过程中的各项处理均会破坏图像中的数字水印，影像数字水印的可用性。因此，在针对遥感影像数字水印可用性的研究中，将水印算法面对各项处理的鲁棒性作为一个关键指标。但是，当前针对鲁棒性的提升的水印研究一般都只涉及形变程度较小的几何攻击，对于形变程度大的几何攻击的水印同步问题至今仍是水印算法中的难点。因此，如何有效保护遥感影像数据，提升遥感影像针对几何校正攻击的鲁棒性，是当前亟待解决的问题。

基于水印模板的方法使用有规律嵌入的水印图案作为一种模板，受到攻击后通过对模板的提取、校正实现水印同步关系的恢复，在抗几何攻击的水印算法中具有较强的鲁棒性。水印模板也有多种类型，如DFT域、周期性水印模板等。但基于周期性水印的模板水印方法多嵌入在空间域中，空间域的水印容易受到图像处理攻击的影响，图像信号损失后就难以提取。基于DFT的模板水印算法这个方法研究对象为视频数据，就每一帧而言嵌入的水印容量较少。应用在图像数据中，如果需要嵌入更大容量的水印，需要对数据分块嵌入。对于分块嵌入的DFT模板水印，其难点在于几何攻击后对水印位置的检测。综上所述，现有技术中对于几何攻击仍缺少鲁棒性强的水印同步关系恢复方法。

相应地，本领域需要一种新的基于遥感影像的水印嵌入与提取方法来解决上述问题。

发明内容

为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决几何攻击后对水印位置的检测难的问题。

本发明公开了一种基于遥感影像的水印嵌入与提取方法，包括：

构建环形水印模板；

基于所述环形水印模板获取待处理遥感影像水印的嵌入位置；

基于待处理遥感影像水印、所述嵌入位置、待处理遥感影像，得到嵌入水印信息后的遥感图像；

基于所述嵌入水印信息后的遥感图像提取出水印信息。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，构建环形水印模板包括：

基于需要嵌入的内容，构建水印序列；

基于所述水印序列，获取水印序列的长度；

基于水印序列的长度对图像进行分块处理；

基于分块后的图像、棋盘式嵌入规则，得到水印的嵌入位置。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，基于分块后的图像、棋盘式嵌入规则，得到水印的嵌入位置包括：

对分块后的图像进行傅里叶变换，将所述图像从空间域转换为频率域；

基于棋盘式嵌入规则、进行傅里叶变换后的分块图像，判断每块图像是否需要嵌入水印信息；

若需要嵌入水印信息，则基于频率域的系数、嵌入规则，将所述水印信息以圆环形式嵌入到所述嵌入位置。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，所述嵌入规则包括：若所述水印序列为第一序列，则将频率域的系数替换为待嵌入水印的强度；否则，所述频率域的系数不变。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，基于棋盘式嵌入规则、进行傅里叶变换后的分块图像，判断每块图像是否需要嵌入水印信息包括：

构建棋盘式嵌入规则；

若所述分块后的图像对应所述棋盘式嵌入规则中的黑色，则表示需要在该分块中嵌入水印；若所述分块后的图像对应所述棋盘式嵌入规则中的白色，则表示不需要在该分块中嵌入水印。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，基于所述嵌入水印信息后的遥感图像提取出水印信息包括：

对所述嵌入水印信息后的遥感图像进行预处理，得到初始水印信息；

基于预处理后的图像中不同分块间的交点进行几何形变的校正，得到校正后的图像；

基于局部对比度测量法对校正后的图像进行水印提取，得到真实水印信息。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，对嵌入水印后的图像进行预处理包括：

基于嵌入水印信息后的遥感图像中的单个波段进行傅里叶变换，得到变换后的图像；

对变换后的图像进行去噪处理，得到模糊图像；

对所述模糊图像进行二值化处理，得到二值化结果；

基于二值化结果、对变换后的图像的原始幅值进行傅里叶逆变换，得到初始水印信息。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，基于二值化结果、对变换后的图像的原始幅值进行傅里叶逆变换，得到初始水印信息包括：

基于所述二值化结果构建中通滤波器；

基于所述中通滤波器、获取变换后的图像的原始幅值进行计算，得到计算结果；

对所述计算结果进行傅里叶逆变换得到初始水印信息。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，基于所述二值化结果构建中通滤波器包括：

将所述二值化结果视为在极坐标中的图像；

基于所述二值化结果从极坐标转换成到直角坐标系的形式；

获取所述直角坐标系的形式下的极大值，基于所述极大值及其前后n个像素作为掩膜的半径范围；

基于所述半径范围，构建中通滤波器。

在上述基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的一个技术方案中，基于局部对比度测量法对校正后的图像进行水印提取，得到真实水印信息包括：

基于校正后的图像、所述水印的嵌入位置确定待提取水印的位置；

将所述待提取水印的位置划分为若干个待检测框，获取所述待检测框的中心像素值、若干个待检测框的像素均值；

基于所述中心像素值、所述均值得到局部对比度；

基于所述均值获取阈值；

基于所述局部对比度、所述阈值获取所述真实水印信息。

与现有技术相比，本发明所提供的基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的有益效果为：采用本方法可以精确提取出水印，在抗几何攻击方面鲁棒性表现全面且均衡。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围组成限制。此外，图中类似的数字用以表示类似的部件，其中：

图1是根据本发明的实施例的基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的主要步骤流程示意图；

图2是根据本发明的实施例的相邻分块水印嵌入区域示意图；

图3是根据本发明的实施例的对预处理图像实施极坐标变换图

图4是根据本发明的实施例的待校正分块和参考分块位置图；

图5是根据本发明的实施例的提取水印的区域。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

实施例一

参阅附图1，图1是根据本发明的一个实施例的基于遥感影像的水印嵌入与提取方法的主要步骤流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的一种基于遥感影像的水印嵌入与提取方法，包括：

构建环形水印模板；

基于所述环形水印模板获取待处理遥感影像水印的嵌入位置；

基于待处理遥感影像水印、所述嵌入位置、待处理遥感影像，得到嵌入水印信息后的遥感图像；

基于所述嵌入水印信息后的遥感图像提取出水印信息。

在一个实施方式中，构建环形水印模板包括：

基于需要嵌入的内容，构建水印序列；

基于所述水印序列，获取水印序列的长度；

基于水印序列的长度对图像进行分块处理；

基于分块后的图像、棋盘式嵌入规则，得到水印的嵌入位置。

本实施例中，构建的水印序列由0、1组成，水印序列构成的集合可以用S表示，，将图像按照300*300的尺寸分块，每个分块中水印长度为/>。

在一个实施方式中，基于分块后的图像、棋盘式嵌入规则，得到水印的嵌入位置包括：对分块后的图像进行傅里叶变换DFT，将所述图像从空间域转换为频率域；基于棋盘式嵌入规则、进行傅里叶变换后的分块图像，判断每块图像是否需要嵌入水印信息；若需要嵌入水印信息，则基于频率域的系数、嵌入规则，将所述水印信息以圆环形式嵌入到所述嵌入位置。

本实施例中，当需要嵌入的水印信息较多时，若将全部水印信息嵌入到整幅图像的DFT幅值图中，图像每一个部分均受到了全部水印的影响，此时水印的不可感知性将大幅降低。为避免降低水印的不可感知性，同时增加图像的水印容量，本实施例将图像进行分块后在分块中嵌入部分水印。

圆环为以分块后每块图像的频率域中心为圆心，以R为半径。由于傅里叶变换系数的对称性，实际嵌入的水印容量为整个圆环的一半。表示嵌入位置的坐标：

其中，n为分块后图像宽度，R为嵌入区域由所属分块的索引决定，r为嵌入水印的所在半径，i为嵌入的水印位，L单侧水印嵌入的长度。

在一个实施方式中，所述嵌入规则包括：若所述水印序列为第一序列，则将频率域的系数替换为待嵌入水印的强度；否则，所述频率域的系数不变。

本实施例中，第一序列可以设置为1，如果水印序列为1时，将频率域的系数/>替换位水印强度/>，可以增强鲁棒性，否则，频率域的系数/>不变。其中，水印强度/>通过设置得到。

在一个实施方式中，基于棋盘式嵌入规则、进行傅里叶变换后的分块图像，判断每块图像是否需要嵌入水印信息包括：构建棋盘式嵌入规则；若所述分块后的图像对应所述棋盘式嵌入规则中的黑色，则表示需要在该分块中嵌入水印；若所述分块后的图像对应所述棋盘式嵌入规则中的白色，则表示不需要在该分块中嵌入水印。

在一个实施例中，如图2所示，为嵌入水印的棋盘式嵌入规则示意图，黑色和白色分块交错分布。当分块B为黑色，即B=1时，在相应的分块嵌入水印；当分块为白色，即B=0时，在相应的分块上，则不嵌入水印。

在一个实施方式中，基于所述嵌入水印信息后的遥感图像提取出水印信息包括：对所述嵌入水印信息后的遥感图像进行预处理，得到初始水印信息；基于预处理后的图像中不同分块间的交点进行几何形变的校正，得到校正后的图像；基于局部对比度测量法对校正后的图像进行水印提取，得到真实水印信息。

本实施例中，经预处理后的影像能够较为清晰的表现出不同分块间的纹理差异，能够呈现出不同分块之间的分界。如图4所示，利用不同分块间的交点能够对几何形变进行校正。如图4（左）为经过预处理后的图像，如图4（右）为规范格网的分块分布。在图4（左）中选择一个接近中心位置的清晰的交点，接着在图4（右）中选择该点需要校正到的点位。按照这个方式分别对图4（左）中清晰的交点逐个选择，并参照其相邻位置选择要校正到的点位上。逐个选点后，对已选择的点采用仿射变换公式计算。

在一个实施方式中，对嵌入水印后的图像进行预处理包括：基于嵌入水印信息后的遥感图像中的单个波段进行傅里叶变换，得到变换后的图像；对变换后的图像进行去噪处理，得到模糊图像；对所述模糊图像进行二值化处理，得到二值化结果；基于二值化结果、对变换后的图像的原始幅值进行傅里叶逆变换，得到初始水印信息。

本实施例中，去噪处理采用的是高斯模糊处理方法，为便于二值化，将图像进行归一化处理，然后使用OTSU方法对图像进行二值化，得到二值化结果。

在一个实施方式中，基于二值化结果、对变换后的图像的原始幅值进行傅里叶逆变换，得到初始水印信息包括：基于所述二值化结果构建中通滤波器；基于所述中通滤波器、获取变换后的图像的原始幅值进行计算，得到计算结果；对所述计算结果进行傅里叶逆变换得到初始水印信息。

本实施例中，将中通滤波器与频率域的幅值相乘，得到计算结果，对计算结果进行傅里叶逆变换得到初始水印信息。

在一个实施方式中，基于所述二值化结果构建中通滤波器包括：将所述二值化结果视为在极坐标中的图像；基于所述二值化结果从极坐标转换成到直角坐标系的形式；获取所述直角坐标系的形式下的极大值，基于所述极大值及其前后n个像素作为掩膜的半径范围；基于所述半径范围，构建中通滤波器。

本实施例中，对二值化结果实施坐标转换，将二值化结果视为在极坐标中的图像，将其转换为直角坐标形式。如图3所示，对直角坐标形式下的纵坐标进行求和得到曲线，计算曲线上的极大值。例如，可以将极大值位置前后20个像素作为掩膜的半径范围，制作一个过滤该半径范围的中通滤波器。

在一个实施方式中，基于局部对比度测量法对校正后的图像进行水印提取，得到真实水印信息包括：基于校正后的图像、所述水印的嵌入位置确定待提取水印的位置；将所述待提取水印的位置划分为若干个待检测框，获取所述待检测框的中心像素值、若干个待检测框的像素均值；基于所述中心像素值、所述均值得到局部对比度；基于所述均值获取阈值；基于所述局部对比度、所述阈值获取所述真实水印信息。

本实施例中，经过校正后的图像已经与嵌入时分块的分布一致。即，嵌入位置的坐标为待提取水印的坐标。将待提取水印的位置划分若干个以待检测位置为中心的3x3框作为待检测框，如图5所示。任取一个待检测框及与其相邻的8个待检测框，获取该待检测框的像素值作为中心像素值L；取与其相邻的8个待检测框的像素均值/>，计算中心像素值与均值的比值/>，然后基于8个待检测框的中最大的像素值、中心像素值与均值的比值，计算局部对比度：/>；计算阈值/>。其中，/>为该任取一个待检测框及与其相邻的8个待检测框的像素均值，/>为任取一个待检测框及与其相邻的8个待检测框的像素的标准差，k为经验值，在本实施例中，k取3时效果最佳；判断局部对比度C与阈值T的大小。若/>,则水印序列/>；否则/>。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于遥感影像的水印嵌入与提取方法，其特征在于，包括：

构建环形水印模板；

基于所述环形水印模板获取待处理遥感影像水印的嵌入位置；

基于待处理遥感影像水印、所述嵌入位置、待处理遥感影像，得到嵌入水印信息后的遥感图像；

基于所述嵌入水印信息后的遥感图像提取出水印信息；

其中，构建环形水印模板包括：

基于需要嵌入的内容，构建水印序列；

基于所述水印序列，获取水印序列的长度；

基于水印序列的长度对图像进行分块处理；

基于分块后的图像、棋盘式嵌入规则，得到水印的嵌入位置；

基于分块后的图像、棋盘式嵌入规则，得到水印的嵌入位置包括：

对分块后的图像进行傅里叶变换，将所述图像从空间域转换为频率域；

基于棋盘式嵌入规则、进行傅里叶变换后的分块图像，判断每块图像是否需要嵌入水印信息；

若需要嵌入水印信息，则基于频率域的系数、棋盘式嵌入规则，将所述水印信息以圆环形式嵌入到所述嵌入位置；

基于所述嵌入水印信息后的遥感图像提取出水印信息包括：

对所述嵌入水印信息后的遥感图像进行预处理，得到初始水印信息；

基于预处理后的图像中不同分块间的交点进行几何形变的校正，得到校正后的图像；

基于局部对比度测量法对校正后的图像进行水印提取，得到真实水印信息；

对嵌入水印后的图像进行预处理包括：

基于嵌入水印信息后的遥感图像中的单个波段进行傅里叶变换，得到变换后的图像；

对变换后的图像进行去噪处理，得到模糊图像；

对所述模糊图像进行二值化处理，得到二值化结果；

基于二值化结果、对变换后的图像的原始幅值进行傅里叶逆变换，得到初始水印信息；

基于二值化结果、对变换后的图像的原始幅值进行傅里叶逆变换，得到初始水印信息包括：

基于所述二值化结果构建中通滤波器；

基于所述中通滤波器、获取变换后的图像的原始幅值进行计算，得到计算结果；

对所述计算结果进行傅里叶逆变换得到初始水印信息；

基于所述二值化结果构建中通滤波器包括：

将所述二值化结果视为在极坐标中的图像；

基于所述二值化结果从极坐标转换成到直角坐标系的形式；

获取所述直角坐标系的形式下的极大值，基于所述极大值及其前后n个像素作为掩膜的半径范围；

基于所述半径范围，构建中通滤波器；

基于局部对比度测量法对校正后的图像进行水印提取，得到真实水印信息包括：

基于校正后的图像、所述水印的嵌入位置确定待提取水印的位置；

将所述待提取水印的位置划分为若干个待检测框，获取所述待检测框的中心像素值、若干个待检测框的像素均值；

基于所述中心像素值、所述均值得到局部对比度；

基于所述均值获取阈值；

基于所述局部对比度、所述阈值获取所述真实水印信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述棋盘式嵌入规则包括：若所述水印序列为第一序列，则将频率域的系数替换为待嵌入水印的强度；否则，所述频率域的系数不变。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于棋盘式嵌入规则、进行傅里叶变换后的分块图像，判断每块图像是否需要嵌入水印信息包括：

构建棋盘式嵌入规则；

若所述分块后的图像对应所述棋盘式嵌入规则中的黑色，则表示需要在该分块中嵌入水印；若所述分块后的图像对应所述棋盘式嵌入规则中的白色，则表示不需要在该分块中嵌入水印。