一种QR码水印图像数据压缩与编码方法与流程

本发明属于地理空间数据信息安全保护领域，具体涉及一种针对小数据量水印信息载体的QR码水印图像数据压缩与编码方法。

背景技术：

瓦片遥感影像数据和瓦片栅格地图数据是以“天地图”为代表的地理信息公共服务平台的重要数据源，随着网络地理数据服务的普及，瓦片数据来源丰富和便于下载等特点所引发的非法使用和牟利等安全问题日益凸显，直接影响了数据所有者的权益和共享积极性，亟需引入科学有效的技术手段解决瓦片数据的信息安全问题。

数字水印技术是新兴和前沿的信息安全技术，它过水印信息与载体数据的紧密融合实现数据产品的版权保护、内容认证和来源追溯等功能，是解决瓦片数据安全管理问题有效的技术手段。

在数字水印的技术体系中，水印信息是数字水印处理过程中的第一个关键步骤，选择合适的水印信息生成与预处理方式能够在很大程度上提高数字水印算法的不可见性和鲁棒性；同时，也会对水印检测结果的可靠性构成直接影响。作为整个数字水印体系中与载体数据关系最为密切的组成部分，水印信息的生成与预处理过程需要充分考虑载体数据的数据特征和应用需求。

瓦片数据具有尺寸恒定、单幅数据量小的鲜明特征，决定了应用于瓦片数据的数字水印算法必须严格控制嵌入数据量，以适应载体数据的信息承载能力；然而较小的嵌入数据量等同于长度较短的水印信息序列，将难以表征和证实数据产品的版权归属。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对水印信息承载能力有限的小数据量瓦片数据，提出一种QR码水印图像数据压缩与编码方法，通过相应的处理流程，在保证版权信息的表征不受影响的基础上有效地控制嵌入数据量，协调与解决嵌入数据量与载体数据的水印信息承载能力之间的矛盾。

QR码具有信息容量大、编码支持广、自纠错能力强、识读速度快等优点，能够对数字型数据、字母数字型数据、8位字节型数据、日本汉字字符和中国汉字字符等多种不同类型的数据进行编码，是版权信息的理想载体。本发明方法，对包含版权信息的QR码水印图像进行数据压缩和编码，使其转换为长度较短的一维二值水印信息序列，在保留QR码信息容量的基础上有效控制了嵌入数据量，能够很好地应用于以小数据量瓦片数据为载体的数字水印算法设计。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案包括以下步骤：

步骤一、生成QR码水印图像

步骤1.1：选定版权信息，包括数据生产者信息、用户信息、时间信息和分发信息。

步骤1.2：选定待生成QR码水印图像的版本号、纠错等级、原胞大小、空白区域和掩模模式。

步骤1.3：根据QR码生成机制生成对应的QR码水印图像。

步骤二、QR码水印图像的数据压缩

步骤2.1：读取待压缩的QR码水印图像（步骤一生成的QR码水印图像）。

步骤2.2：对QR码水印图像进行L层二维离散小波变换，本发明中取。

步骤2.3：在二维离散小波变换（DWT变换）后得到的4个子带中，提取低频子带LL1。

步骤2.4：对低频子带进行二值化处理，将其转换为对应的二值图像。

步骤三、QR码水印图像的符号结构分解

步骤3.1：读取步骤2.4转换后的二值图像。

步骤3.2：从读取的二值图像中分离出空白区域、位置探测图形、定位图形、校正图形和版本及格式信息，二值图像的其他区域为图像剩余区域。

步骤3.3：利用分块读取、逐行扫描的方式从图像剩余区域中提取数据及纠错编码。

步骤3.4：将数据及纠错编码重排列为一维二值水印信息序列Wm。

步骤四、一维二值水印信息序列Wm的压缩编码

步骤4.1：对一维二值水印信息序列Wm进行分组，分组长度N=3，末尾不足位的分组用“0”填充。

步骤4.2：根据一维二值水印信息序列Wm分组的直接编码对分组进行分类，共分3类。黑基、白基和混合基，其中黑基为直接编码全“0”的分组，白基为直接编码全“1”的分组，混合基为直接编码中同时包含“0”和“1”的分组。

步骤4.3：为黑基分配压缩编码，用压缩编码“0”替代直接编码“000”。

步骤4.4：为白基分配压缩编码，用压缩编码“10”替代直接编码“111”。

步骤4.5：对于直接编码为“001”和“100”的混合基，将其中的“1”反转为“0”，采用黑基的压缩编码表达。

步骤4.6：对于直接编码为“110”和“011”的混合基，将其中的“0”反转为“1”，采用白基的压缩编码表达。

步骤4.7：对于直接编码为“101”和“010”的混合基，沿用直接编码。

步骤4.8：对所有分组按照步骤4.3至步骤4.7所述方法进行重压缩编码。

步骤4.9：提取压缩编码后的一维二值水印信息序列用于嵌入载体数据。

本发明利用QR码作为水印信息的生成方式，发挥QR码信息容量大，编码支持广的特点，保证了版权信息的有效表征。通过对QR码水印图像进行DWT变换和符号结构分解，实现了QR码水印图像的数据压缩；在此基础上，对待嵌入载体数据的一维二值水印信息序列，引入结合了无损编码与有损编码的改进型跳块编码方式，进一步缩短了水印信息序列的长度，有效地控制了嵌入数据量。QR码自身所具备的强大的自纠错能力支撑了有损编码机制的使用，确保重编码后的水印信息序列能够被正确地解码和扫码识读。本发能够将QR码水印图像进行高压缩比的数据压缩，最终嵌入载体数据的是长度较短的二值序列，同时不会影响QR码中保存的版权信息，解决了嵌入数据量与载体数据的水印信息承载能力之间的矛盾，适用于以瓦片数据为载体的数字水印算法设计，具有较高的实用性和推广价值。

附图说明

图1是本发明QR码水印图像数据压缩与编码方法流程图。

图2 是QR码二维离散小波变换示意图，其中，a是原始QR码，b是

图3是QR码的符号结构图。其中，1－空白区域，2－位置探测图形，3－定位图形，4－数据和纠错码字，5－校正图形，6－格式信息。

图4是待编码的水印信息序列生成过程示意图。其中，7－压缩后的QR码水印图像，8－固定内容，9－一维二值水印信息序列。

图5是压缩编码机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

本实施例选择版本号为3，纠错等级为H，尺寸为82×82像素的QR码为实验数据，根据本发明所提QR码水印图像的数据压缩与编码流程，给出本发明的一个实施例，进一步详细说明本发明。

1.生成QR码水印图像

步骤一：选定版权信息，使用英文域名“www.njnu.edu.cn”代表QR码水印图像中所含版权信息。

步骤二：指定待生成QR码水印图像的版本号为“3”，纠错等级为“H”，原胞大小为“2”，空白区域为“10”，掩模模式为“0”。

步骤三：根据QR码生成机制生成对应的QR码水印图像，生成后的QR码如图2(a)所示，该QR码水印图像的数据量为82×82=6724 bit。

2.QR码水印图像的数据压缩

步骤一：读取图2(a)中QR码水印图像。

步骤二：对该图像进行1层二维离散小波变换，变换结果如图2(b)所示。

步骤三：在二维离散小波变换（DWT变换）后得到的4个子带中，提取低频子带LL1。

步骤四：对低频子带进行二值化处理，将其转换为对应的二值图像，该二值图像的尺寸为41×41像素，数据量为41×41=1681 bit。

3.QR码水印图像的符号结构分解

步骤一：读取上一步骤中低频子带二值化处理后生成的二值图像（图4中箭头7所指图像）。

步骤二：根据图3中QR码的符号结构对该二值图像进行分解，从中分离出空白区域、位置探测图形、定位图形、校正图形和版本及格式信息（如图4中箭头8所示），二值图像的其他区域为图像剩余区域（如图4中箭头4所示）。

步骤三：利用分块读取、逐行扫描的方式从图像剩余区域中提取数据及纠错编码。

步骤四：将数据及纠错编码重排列为一维二值水印信息序列Wm（如图4中箭头9所示），Wm的长度为867 bit。

4.一维二值水印信息序列Wm的压缩编码

步骤一：对一维二值水印信息序列Wm进行分组，分组长度N=3，末尾不足位的分组用“0”填充。

步骤二：根据一维二值水印信息序列Wm分组的直接编码对分组进行分类，共分3类。黑基、白基和混合基，其中黑基为直接编码全“0”的分组，白基为直接编码全“1”的分组，混合基为直接编码中同时包含“0”和“1”的分组。

步骤三：为黑基分配压缩编码，用压缩编码“0”替代直接编码“000”。

步骤四：为白基分配压缩编码，用压缩编码“10”替代直接编码“111”。

步骤五：对于直接编码为“001”和“100”的混合基，将其中的“1”反转为“0”，采用黑基的压缩编码表达。

步骤六：对于直接编码为“110”和“011”的混合基，将其中的“0”反转为“1”，采用白基的压缩编码表达。

步骤七：对于直接编码为“101”和“010”的混合基，沿用直接编码。

步骤八：对所有分组按照步骤4.3至步骤4.7所述方法进行重压缩编码，编码过程如图5所示，重压缩编码后的一维二值水印信息序列Wm’的长度为489 bit。

步骤九：将Wm’嵌入载体数据。

4. 本发明的特点与技术优势

本发明的特点在于通过对QR码水印图像的数据压缩与编码，在不影响QR码所表征的版权信息的前提下有效控制了嵌入载体数据水印信息的数据量。本发明的技术优势在于达到了较高的数据压缩比，经过处理后的QR码能够可靠地嵌入诸如瓦片数据等水印信息承载能力有限的小数据量数据中，很好地解决了嵌入数据量与载体数据的水印信息承载能力之间的矛盾。

5.测试与分析

本发明专门针对小数据量数据水印信息承载能力有限的问题，采用本发明能够在不影响QR码所表征的版权信息的前提下大幅度降低嵌入载体数据的水印信息的数据量，为后续水印嵌入算法的设计奠定基础。

（1）QR码水印图像的数据压缩

对图2(a)中的QR码水印图像进行数据压缩，得到一维二值水印信息序列Wm,数据压缩比约为7.76:1（6724:867），实验结果表明表明，经过数据压缩处理后，一维二值水印信息序列的数据量相较原始QR码水印图像有了大幅度的降低，数据压缩效果良好。

（2）一维二值水印信息序列的压缩编码

对一维二值水印信息序列Wm,采用图5所示编码过程继续进行重压缩编码，得到编码后的水印信息序列Wm’，数据压缩比进一步提升至13.75:1（6724:489），试验结果表明，经过压缩编码后，一维二值水印信息序列的数据量进一步降低，最终嵌入载体数据的一维二值水印信息序列长度仅为489 bit，相较原始QR码水印图像的6724bit，嵌入数据量得到了有效的控制。