专利名称：一种基于文件属性特征的影像地图水印方法
技术领域：
本发明涉及的是关于地图学及地理信息科学的信息处理方法，主要是一种影像地
图水印方法。
背景技术：
数字水印技术是一种公认的对数字产品进行版权保护的手段。1996年在英国剑桥 牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，标志着信息隐藏学的诞生，而作为信 息隐藏学主要分支之一的数字水印技术的研究也得到了迅速的发展。近年来，图像的数字 水印技术已经取得了较大的成果。
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。 与本发明相关文献有 [1]王贤敏，关泽群，吴沉寒.小波用于基于遥感影像特征的自适应二维盲水印算 法.计算机工程与应用，2004，20 :37-41 ; [2]王勋，林海，鲍虎军. 一种鲁棒的矢量地图数字水印算法.计算机辅助设计与 图形学学报，2004， 16(10) :1377-1381 ; [3]刘九芬，王振武，黄达人.抗几何攻击的小波变换域图像水印算法.浙江大学 学报工学版，2003，37(4) :386-392 ; [4]张军，王能超.用于图象认证的基于神经网络的水印技术.计算机辅助设计与 图形学学报，2003， 15 (3) :307 312 ; [5]沃焱，韩国强，张波.基于视觉特性的灰度级自适应盲水印算法.通信学报， 2003,24(9) :132 141。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能保证Img格式的影像地图100%无损，能有效抵抗 多种组合攻击，具有高安全性以及不可见性的一种基于文件属性特征的影像地图水印方 法。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 (1)读取影像地图文件中含有冗余字节的数据结构； (2)扫描水印位图保存为二值序列； (3)将水印位图大小写入冗余文件的前8个字节中保存； (4)将二值水印序列依次写入到冗余文件的其余字节中；
(5)利用水印提取单元读取出水印位图大小； (6)利用水印提取单元依次读取二值水印序列； (7)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图。 本发明还可以包括 1、所述的读取影像地图文件中含有冗余字节的数据结构步骤中，读取Img格式的卫星遥感地图文件时，通过遍历方式读出含冗余字节的数据结构；其中含有冗余字节的数据结构是指文件节点的头结点中name字段，name字段是一个大小为64的字符型数组，节点名称存放在前边几位，而后面的字符全是结束符。 2、所述的扫描水印位图保存为二值序列步骤中，是对水印位图进行逐行扫描，得出一串二值水印序列。 3、所述的将水印位图大小写入冗余文件的前8个字节中保存步骤中，含有冗余字节的数据结构Ehfa Entry中节点名即name字段后面的结束符对于文件来说都是无用的字符，利用这些字符可以将水印信息隐藏其中；读取出影像地图文件所有数据结构中的无用结束符作为可嵌水印的冗余文件，并将水印位图的大小写入到冗余文件的前8个字节中进行保存。 4、所述的将二值水印序列依次写入到冗余文件的其余字节中步骤中，具体做法如下 从冗余文件的第9个字节开始进行水印嵌入，即将二值水印序列的每8个bit的
ASCII编码对应字符嵌入name字段数组中；水印嵌入后，结束符前面是节点名，结束符后面
是水印信息，而用户查看节点名时只能读到结束符，因此该水印有较好的隐蔽性。 5、所述的利用水印提取单元读取出水印位图大小步骤中，依据步骤1中读取含冗
余字节数据结构的遍历顺序对含水印的冗余文件进行遍历，并提取出冗余文件前8个字节
中的水印位图的大小。 6、所述的利用水印提取单元依次读取二值水印序列步骤中，依据步骤1中读取含冗余字节数据结构的遍历顺序对含水印的冗余文件进行遍历，并依次提取出冗余文件中第9个字节以后的二值水印序列。 7、所述的根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图步骤中，由于提取出的位图大小是事先设定的，根据设定的大小可以计算出位图的字节数，即位图字节数=位图宽度*位图高度，因此由读取的二值水印序列和位图大小可以生成水印图片。
本发明基于文件属性特征的无损水印方法具有以下优点 (1)实现了完全无损的水印嵌入和提取。水印嵌入到文件的冗余位置，修改的是绝对无用的信息，因此对地图是完全无损的，不影响地图数据的使用。 (2)不会增加地图文件的大小。本方案通过修改一些文件中冗余的数据嵌入水印，并不是在文件中进行添加，因此不会增加文件的大小。 (3)不会损坏原文件数据。水印嵌入的位置是根据文件结构添加的，修改的只是文件中的冗余的数据，因此不会损坏文件结构及原文件数据。 (4)较好的鲁棒性。经过测试，这种水印方法能抵抗多种攻击，在不知道嵌入方法的情况下，攻击者是很难影响提出的水印图像的效果。
(5)较好的隐蔽性。本方案嵌入前后的地图的像素值没有任何的变化，即使用强大的ERDAS IMAGINE专业处理软件也无法察觉到该地图是否含有水印，由于嵌入的位置极为 隐蔽，即使攻击者能够读出文件结构也无法找到水印的位置，很难对水印进行攻击。
图1水印嵌入流程图； 图2水印提取流程图； 图3影像地图文件节点的结构图； 图4水印嵌入程序界面； 图5水印提取程序界面； 图6 (a)-图6 (h)为8种组合攻击模式的示意图，依次为随机剪切，随机噪声，随机 剪切+高斯噪声，随机剪切+随机噪声，随机剪切+椒盐噪声，随机剪切+高斯噪声+椒盐噪 声，随机剪切+高斯噪声+随机噪声，随机剪切+高斯噪声+椒盐噪声+随机噪声+平移。
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 本发明基于文件属性特征的影像地图水印方法，载体为Img格式的影像地图，开 发环境为VC. 6. O，主要包括两个方面1.水印图像的嵌入方法和提取方法(如图1，图2所 示)；2. Img文件结构的读取和处理方法。
1.水印图像的嵌入和提取方法 (1)读取影像地图文件中含有冗余字节的数据结构； 读取Img格式的卫星遥感地图文件时，由于文件的节点的组织方式类似于二叉树 (如图3所示)，因此通过遍历方式读出含冗余字节的数据结构。其中含有冗余字节的数据 结构是指文件节点的头结点中name字段，name字段是一个大小为64的字符型数组，节点 名称存放在前边几位，而后面的字符全是结束符。
(2)由用户扫描水印位图产生水印序列 程序读取水印位图，扫面位图的像素值，由于试验用到的是二值图像，因此是扫描 得到的是二值序列。
(3)将水印位图大小写入冗余文件的前8个字节中保存； 含有冗余字节的数据结构Ehfa Entry中节点名即name字段后面的结束符对于文 件来说都是无用的字符，利用这些字符可以将水印信息隐藏其中。读取出影像地图文件所 有数据结构中的无用结束符作为可嵌水印的冗余文件，并将水印位图的大小写入到冗余文 件的前8个字节中进行保存。具体步骤如下 a读取img格式的影像文件，读出文件的节点结构，存储所有节点的EhfaEntry对 象，将所有节点的Ehfa Entry对象以链表的形式存放。 b顺序访问链表的节点，读取每一个在Ehfa Entry结构的name字段，在name字 段的结束符后的空间即为冗余文件，所有冗余文件的前8个字节用来存放水印图片大小数 据。 c其中水印图片大小数据是每8个比特为一组以字符的形式存放到name字段。其 中8位序列是按照ASCII编码规则生成的字符。如
5
01000001-A 01000010-B...... d生成目标节点，将被嵌入图片大小的name字段更新到链表，然后根据链表中记
录的读取节点时的地址，将链表节点写入文件中的节点。 e保存地图文件。
(4)将二值水印序列依次写入到冗余文件的其余字节中； 从冗余文件的第9个字节开始进行水印嵌入，即将二值水印序列的每8个bit的ASCII编码对应字符嵌入name字段数组中。水印嵌入后，结束符前面是节点名，结束符后面是水印信息，而用户查看节点名时只能读到结束符，因此该水印有较好的隐蔽性。具体步骤如下 a读取img格式的影像文件，读出文件的节点结构，存储所有节点的EhfaEntry对象，将所有节点的Ehfa Entry对象以链表的形式存放。 b顺序访问链表的节点，读取每一个在EhfaEntry结构的name字段，在name字段的结束符后的空间即为冗余文件，所有冗余文件从第9个字节开始用来存放水印二值序列。 c其中二值水印序列是每8个比特为一组以字符的形式存放到name字段。其中8位序列是按照ASCII编码规则生成的字符。如
01000001-A 01000010-B...... d生成目标节点，将被嵌入图片大小的name字段更新到链表，然后根据链表中记
录的读取节点时的地址，将链表节点写入文件中的节点。 e保存地图文件。 如图4所示，就是试验中运行的基于文件属性的水印嵌入界面。
(5)利用水印提取单元读取出水印位图大小； 读取Img格式的卫星遥感地图文件，以类似于遍历二叉树的方式读出含冗余字节的数据结构。并提取出冗余文件前8个字节中的水印位图的大小。
(6)利用水印提取单元依次读取二值水印序列； 读取Img格式的卫星遥感地图文件，以类似于遍历二叉树的方式读出含冗余字节
的数据结构。并提取出冗余文件从第9个字节后的二值水印序列。
(7)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图。 根据提取出的水印位图的字节数，即位图字节数=位图宽度*位图高度，以及读
取的二值水印序列可以生成原水印图片。利用水印提取程序可以提取img文件中的水印并
对原始水印位图和提出的水印位图进行NC值比较来确定地图中是否含有水印。程序运行
界面如图5所示。 2. Img文件结构的读取和处理方法 Img文件的基本结构如图3所示，读取Img文件的节点属性数据时，是采用先顺遍
历，将读出的节点的头文件以链表的形式保存，每一个节点都有自己的头文件，头文件的存
储结构是Ehfa Entry格式如下 Long next ;/氺T"一f，J^白勺^[立g氺/ Long prey ;/*前一个节点的位置*/ Long parent ;/氺5t节,^(白勺^立置氺/
6
Long child ;/*第一个子节点的位置*/
Long data ;/*数据的存放位置*/
Long datasize :/*数据大小*/
Char [64] name ;/*节点的名字*/
Char [32] type ;/*节点的存储结构*/
TIME modTime ;/*此节点的修改时间*/ 图3中只画出了头结点，并没有画出数据部分，每个方框中的名字是节点的名字 即name字段。以上只是基本的节点结构，不同的影像地图略有差别。 为了验证本发明的可靠性，特别利用本发明的算法进行了以下各种实验。编制的 水印嵌入和提取检测程序，设定用户信息为"哈工程"，即"哈尔滨工程大学"的简称，二值序 列位数1254位水印位图。 鲁棒性分析，经过多种攻击策略对水印后的图像进行攻击，并对提出的水印进行 水印检测，经检测水印效果非常好，能达到100%的提取，如表1所示是对水印后的地图进 行的多种组合攻击，攻击的地像如图6(a)-图6(h)所示。
原始水印提出水印图
图片片
哈工程哈工程
哈工程哈工程
哈工程哈工程
NC值比
1.0
1.0
1.0
本发明误码 率/%
0 0
攻击类型
方式l(随机剪切)
方式2(随机噪声) 方式3(随机剪切+高斯
噪声)
方式4(随机剪切+随机 噪声)
方式5(随机剪切+椒盐 噪声)
方式6(随机剪切+高斯
噪声+椒盐噪声) 方式7(随机剪切+高斯
噪声+随机噪声) 方式8(随机剪切+高斯 噪声+椒盐噪声+随机 噪声+平移)
表l
安全性分析保证水印的不能够被非法提取，这对版权保护来说是很至关重要的，
7
哈工程哈工程
哈工程哈工程
哈工程哈工程
哈工程哈工程
哈工程哈工程
1.0
1.0
1.0
1.0由于我们是根据文件的属性嵌入水印的，因此攻击者在不了解文件属性的情况下不可能对 水印造成破坏，即使攻击者能分析出文件属性也根本不可能了解到水印的嵌入位置，简单 的读取文件属性不可能察觉到水印的存在位置，因为文件读取时读到name字段的结束符 就停止读取，所以攻击者根本读不出水印。 综上所述，利用基于文件属性的水印算法，利用结束符标记水印可以达到无损的 水印嵌入，既不影响文件的有用数据，又能抵抗多种攻击，达到100%的提取，真正实现了影 像地图的无损水印。目前论文中所提到的无损水印是指嵌入水印后图像质量受到影响，提 出水印后图像能够无损恢复，而且很难抵抗多种攻击。本文中提出的算法给无损水印赋予 了新的含义。
权利要求
一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，包括水印的嵌入和提取，其特征是包括如下步骤(1)读取影像地图文件中含有冗余字节的数据结构；(2)扫描水印位图保存为二值序列；(3)将水印位图大小写入冗余文件的前8个字节中保存；(4)将二值水印序列依次写入到冗余文件的其余字节中；(5)利用水印提取单元读取出水印位图大小；(6)利用水印提取单元依次读取二值水印序列；(7)根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图。
2. 根据权利要求1所述的一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，其特征是所 述的读取影像地图文件中含有冗余字节的数据结构步骤中，读取Img格式的卫星遥感地图 文件的数据结构；其中含有冗余字节的数据结构是指文件节点的头结点中name字段，name 字段是一个大小为64的字符型数组，节点名称存放在前边几位，而后面的字符全是结束 符。
3. 根据权利要求2所述的一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，其特征是所 述的扫描水印位图保存为二值序列步骤中，是对水印位图进行逐行扫描，得出一串二值水 印序列。
4. 根据权利要求3所述的一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，其特征是所述的将水印位图大小写入冗余文件的前8个字节中保存步骤中，利用数据结构Ehfa Entry 中节点名字段后面的结束符以将水印信息隐藏其中。读取出影像地图文件所有数据结构中 的无用结束符作为可嵌水印的冗余文件，并将水印位图的大小写入到冗余文件的前8个字 节中进行保存。
5. 根据权利要求4所述的一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，其特征是所 述的将二值水印序列依次写入到冗余文件的其余字节中步骤中，具体做法为从冗余文件 的第9个字节开始进行水印嵌入，即将二值水印序列的每8个bit的ASCII编码对应字符 嵌入name字段数组中。
6. 根据权利要求5所述的一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，其特征是所 述的利用水印提取单元读取出水印位图大小步骤中，依据步骤1中读取含冗余字节数据结 构的遍历顺序对含水印的冗余文件进行遍历，并提取出冗余文件前8个字节中的水印位图 的大小。
7. 根据权利要求6所述的一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，其特征是所 述的利用水印提取单元依次读取二值水印序列步骤中，依据步骤1中读取含冗余字节数据 结构的遍历顺序对含水印的冗余文件进行遍历，并依次提取出冗余文件中第9个字节以后 的二值水印序列。
8. 根据权利要求7所述的一种基于文件属性特征的影像地图水印方法，其特征是所 述的根据读取的二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图步骤中，根据设定的大小 计算出位图的字节数，即位图字节数=位图宽度*位图高度，由读取的二值水印序列和位 图大小生成水印图片。
全文摘要
本发明提供的是一种基于文件属性特征的影像地图水印方法。(1)读取影像地图文件中含有冗余字节的数据结构；(2)扫描水印位图并将其转换为二值序列；(3)将二值序列的拟嵌入长度及顺序写入首选的冗余字节空间内；(4)将二值水印序列依次写入到文件的冗余字节中；(5)利用水印提取单元读取水印位图大小；(6)利用水印提取单元依次读取二值水印序列；(7)根据二值水印序列和水印位图的大小，生成水印位图。本发明实现了完全无损的水印嵌入与提取，不对地图文件造成任何损坏，并具有较好的鲁棒性及不可见件。
文档编号G06F17/30GK101706943SQ200910073150
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者孙建国, 曹刘娟, 门朝光, 陈福年 申请人:哈尔滨工程大学