一种面向影像地图的强鲁棒数字水印方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及的是一种面向影像地图的强鲁棒数字水印方法。
【背景技术】
[0002] 遥感影像（卫星，航空，地面近景）作为对地观测获取地球表面覆盖与结构信息的 载体，在地学分析应用领域是不可或缺的信息源。而如何将地理影像转化为有价值的信息 对成功实施GIS和制图工程又是至关重要的。目前，在我们周围越来越多的人们能够利用 全范围的地理影像产品来提取和使用有价值的信息。
[0003] 作为众多数字地图的原始数据来源，影像地图的真实性和安全性受到格外关注， 既要维护地图所有者的合法利益，又要缺乏地图内容不被篡改，为此，影像地图数字水印研 宄得到了较为快速的发展。
[0004] 目前，对影像地图的数字水印算法很少，对于图像的水印算法主要包括两类：即空 间域和频率域。空间域算法主要是通过修改像素信息来嵌入水印，算法实现简单，但鲁棒性 较差，对图像的损伤也较大，无法抵抗多种攻击；频率域算法通过离散余弦变换、傅立叶变 换或小波变换等数学方法获得频域系数，通过调整频域系数来嵌入水印，该类算法较复杂， 对图像的质量也有一定影响，且无法抵抗多种组合攻击。
[0005] 基于空间域算法和频率域算法的不足，一些学者提出了无损影地图水印的算法， 主要要研宄如下：王贤敏等在2004年提出了小波用于基于遥感影像特征的自适应二维盲 水印算法；王勋等提出了一种鲁棒的矢量地图数字水印算法；刘九芬等提出了一种抗几何 攻击的小波变换域图像水印算法；张军等发明了用于图像认证的基于神经网络的水印技 术；沃焱等提出了基于视觉特性的灰度级自适应盲水印算法。本算法为基于面向影像地图 的强鲁棒水印书的算法，与以上算法相比，让空间域算法和频率域算法更优化。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种能有效抵抗多种攻击，具有高安全性以及不可见性的 面向影像地图的强鲁棒数字水印方法。
[0007] 本发明包括如下步骤：
[0008] (1)根据MG影像地图的数据结构，读取节点的链表，并按照对应字段分别获得每 个节点的像素值；
[0009] (2)扫描水印位图，获得水印二进制编码，生成相应的伪随机序列L，
[0011] 其中，La e {+1,-1}，L是一个由N个元素组成的伪随机序列，N是水印编码的长 度；
[0012] (3)根据地图规模和伪随机序列大小，设定小于1个像素单位的值作为阈值，对地 图进行八个方向的平移，包括上T、右上RT、右R、右下RD、下D、左下LD、左L、左上LT ;
[0013] (4)对于位移后的八幅地图，按照顺时针顺序，随机选取其中3幅地图，联同原始 地图共同组成待嵌入水印的地图集合{V| Vi|l < i <4};
[0014] (5)利用人类视觉系统，检测每一幅地图，据地图集合IVlviIl彡i彡4}，按照每 个节点仅嵌入1比特水印的编码规则，选取最大规模的特征点集合，同时提取对应节点的 像素值；
[0015] (6)计算每一个特征点与周围像素点的差值，并读取伪随机序列，将对应随机序列 值与像素差值的乘积累加到该特征点的像素值；
[0016] (7)对于嵌入水印后的地图，随机选取其中几幅发布；
[0017] (8)在水印检测时，将待检测地图与其它嵌入水印但未发布的地图相互融合，求得 具有平均像素值的地图；
[0018] (9)根据原始的水印的伪随机序列，以及融合后的水印地图，计算关联系数，如果 相关系数的绝对值大于等于所设定的阈值，则表明检测到水印编码，否则未检测到；
[0019] (10)将编码还原为水印位图，并计算相似度。
[0020] 所述的待嵌入水印的地图集合的生成步骤包括：
[0021] 对于每幅地图Vi，计算对应的水印嵌入强度：
[0022] S (Vi) = {s (Pj) >0 I I ^ j ^ N}
[0023] 其中，S(Pj)表示地图中特征点Pj在HVS系统内的不可察觉程度，即P j与其他周围 其他八个像素节点的亮度差值；
[0024] 依次读取水印序列，对每个特征点：
[0025] s' （Pj) = s (Pj)+s (Pj) Lj，
[0026] Y1' =V^s(Pj)Lj,
[0027] 得到{V， |v/ I 1 彡 i 彡 4}。
[0028] 本发明的有益效果在于
[0029] 本发明完全基于影像地图的色彩特性，通过多图共存的方式，保持地图的基本像 素特征，已达到水印横存的目的，具体包括：
[0030] 实现了强鲁棒性的水印嵌入和提取。水印嵌入载体基于影像的亮度差值，且嵌入 多幅相关性极强的地图内，水印一旦遭到破坏，可通过求取相关性和地图的平均像素值而 得以恢复。
[0031] 极强的鲁棒性。经过测试，水印遭到严重破坏，只需影像地图载体具有可用性，则 可通过相关地图进行平均恢复，获得相似度较高的水印信息。
[0032] 较好的隐蔽性。在水印嵌入节点的选择上结合了 HVS原理，特征点都是一些视觉 不易察觉的位置，且通过计算亮度差值，有效控制了由于水印嵌入造成的色彩扰动，由于嵌 入的位置极为隐蔽，攻击者很难专门地对水印发起攻击。
【附图说明】
[0033] 图1影像地图文件结构；
[0034] 图2a影像地图原始地图；
[0035] 图2b影像地右侧平移效果图；
[0036] 图2c影像地右下平移效果图；
[0037] 图3实验程序界面；
[0038] 图4系统整体结构图；
[0039] 图5水印嵌入流程图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合实验实例对本发明做更详细地描述：
[0041] 本发明提出的是一种面向影像地图的强鲁棒水印方法。（1)读取影像地图文件，获 得完整的数据结构；(2)按照IMG影像的数据结构，提取地图色彩特征值，对像素值进行编 码；（3)结合设定阈值，将原始的地图按照上、下、左、右、左上、左下、右上、右下八个方向在 阈值范围内随机平移；(4)从八幅平移得到的地图中随机选取4幅，并和原图共同组成图像 序列；(5)制作水印位图并转换为二值序列，对应水印编码产生一个可供嵌入的伪随机序 列；(6)对选定的图像序列，结合HVS(人类视觉系统）原理和阈值选取有限个特征点，计算 特征点像素与其周围另外八个像素点的差值；（7)将像素差值与伪随机序列的乘积结果对 应地叠加到特征点上；(8)递归完成上述操作，然后随机选取已嵌入水印的5幅地图中的任 意几幅发布出去。
[0042] 本发明是关于地图学及地理信息科学的信息处理方法，主要是一种MG格式影像 地图的水印方法。
[0043] 本发明的目的是这样实现的：包括水印的嵌入和提取，其步骤包括：
[0044] (1)读取IMG影像地图文件，获得所有像素信息的链表。
[0045] (2)扫描水印位图，获得水印二进制编码，并生成伪随机序列。
[0046] (3)设定阈值，并结合阈值，对地图进行八个方向的平移。
[0047] (4)得到位移后的八幅地图，随机选取其中三幅，联同原始地图一并作为待嵌入水 印的地图。
[0048] (5)利用HVS(人类视觉系统）系统，检测每幅地图，获取特征点。
[0049] (6)计算每一个特征点与周围像素点的差值，将对应随机序列值与像素差值的乘 积累加到该特征点。
[0050] (7)对于嵌入水印后的地图，随机选取其中几幅发布。
[0051] (8)在水印检测时，将待检测地图与其它嵌入水印但未发布的地图相互融合，求得 具有平均像素值的地图。
[0052] (9)根据原始水印序列，以及融合后的水印地图，计算关联系数。检测水印编码。
[0053] (10)将检测到的编码还原为水印位图，并计算与原始水印的相似度。
[0054] 本发明还可以包括：
[0055] 2、所述的读取MG影像地图文件的步骤中，直接根据MG金字塔型的数据组织结 构，自链表头节点开始，读取每个节点的像素值字段。
[0056] 3、所述的伪随机序列生成的步骤中，具体方法为：
[0057] 根据定义好的水印位图，将位图转换为二进制的水印编码序列，然后依次扫描每 个水印比特倌，#桉照加下挪_构律伪晡机序列L。
[0059] 其中，La e {+1，-1}，则L是一个由N个元素组成的伪随机序列，N是对应二进制 水印编码的长度。
[0060] 4、所述的阈值设定和地图平移过程中，为了降低对于水印地图的过强扰动，限定 平移单位不能超过1个像素，故阈值小于1，同时，为了起到混淆和扩散的目的，按照逆时针 方向规定了八个平移方式，得到不同方向的八幅衍生地图。
[0061] 5、所述的地图选取过程中，是为了平衡安全性和效率二者的关系，不能过多频繁 的嵌入水印信息，故从混淆的衍生地图中选取3幅，并结合原始的地图一并作为可嵌入水 印的地图对象{V| Vi|l彡i彡4}。
[0062] 6、所述的每幅地图特征点选取的过程中，是按照HVS(人类视觉系统）原理，扫描 每一幅地图，找到视觉不敏感区域内的关键节点，最终节点的选取策略是参照每节点仅嵌 入1比特水印的规则，选取最多元素集合。
[0063] 7、所述的数字水印嵌入策略中，将水印伪随机序列同亮度差值的乘积叠加到视觉 不敏感的特征点上，具体方法是：
[0064] 对于每幅地图Vi,计算对应的水印嵌入强度，即水印容量：
[0065] S (Vi) = {s (Pj) >0 I I ^ j ^ N}
[0066] 其中，s (Pp表示特征点&在HVS系统内保持视觉不敏感情况下，p #其他周围其 他八个像素节点的亮度差值。
[0067] 具体地，读取水印的伪随机序列值后，对地图内的每个特征点嵌入水印信息：
[0068] Sr (Pj) = s (Pj)+s (Pj) Lj
[0069] 对每幅地图由此递归计算：
[0070] Vi' = Vj+s (Pj) Lj
[0071] 最终得到嵌入数字水印后的地图集合{V' I Vi' I 1彡i彡4}。
[0072] 8、所述的水印地图发布过程中，即选取地图集合{V' |Vi' 中的部 分地图发布。
[0073] 9、所述的水印信息检测过程中，将待检测的地图V'与其它嵌入水印但未发布的 地图V tl相融合，根据阈值T，逆向平移V ^，并对待检测地图V'进行逆向恢复，求得平均像素 值的地图样本t
[0074] 10、具体的水印提取方式为：根据原始水印Wtl的生成规则，重新生成伪随机序列 L，计算L与地图样本P的关联度C :
[0076] 如果|C|>T，表明地图内嵌入了疑似水印Wt;否则，表明伪随机序列不存在于地图 内，即地图内无被检测水印，具体表示为：
[0078] 特别地，对于单位水印比较过程中，有如下关系成立：
[0080]其中，Wi e w