一种基于颜色分量的用于版权保护的海图水印方法与流程

本发明涉及的是一种电子海图的保护方法，具体地说是一种用于版权保护的海图水印方法。

背景技术：

电子海图作为数字地图的一部分,是近年来逐步受到广泛重视的一种重要的地图资源,特别是随着各国日益重视海洋资源的开发与利用,此外,其具有更加重要的战略价值。对于如此重要的数字资源,与之相对的却是版权保护和信息安全技术的研究较为落后。“一种用于海图版权标识的小波域数字水印技术”和“双特征下的二维电子海图水印技术研究”是目前可检索到的有关电子海图版权保护的文献。电子海图本质上也是一种二维数字地图,故具有一定的通用性。而学界对于电子海图的信息安全技术专门研究较少的原因有两个一是海图的自身价值较高,且制作及流通受到严格管理,很多研究人员苦于缺乏足够的资源,而无法开展深入研究另一方面,由于该领域部分应用技术的敏感性,很多成果并没有得到及时发表。值得一提的是,随着近年来电子海图在商业领域的迅速应用,如何确保电子海图的版权和如何防止用户通过拍摄或者打印的方式窃取屏幕显示的地图信息已经成为函待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种当海图图像被非法拍摄或复印打印时，能使其适应如几何矫正、发射消除等后期图像处理需求的基于颜色分量的用于版权保护的海图水印方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括水印的嵌入、提取，以及水印方案，具体包括如下步骤：

步骤一：使用密钥生成的伪随机比特流同原始水印图像进行异或运算，将水印编码映射为伪随机序列；

步骤二：对待嵌入水印的图像进行线性扫描，根据水印比特值对需嵌入水印的像素点的亮度进行调整；

步骤三：调整信号强度因子，确定水印在整个图像内的嵌入比例框架；

步骤四：根据高斯像素加权掩码优化像素点周围的亮度值；

步骤五：调整图像亮度，归一化像素点的亮度值；

步骤六：像素点嵌入水印；

步骤七：使用像素预测公式，计算水印信息；

步骤八：和步骤一相同的伪随机比特流进行异或运算，反排列得到水印图像；

步骤九：与伪随机比特流进行异或运算重新排列得到真正水印信息；

步骤十：畸变失真修复过程；

步骤十一：不良反射消减。

本发明还可以包括：

1、所述的使用密钥生成的伪随机比特流同原始水印图像进行异或运算，将水印编码映射为伪随机序列中，将水印编码映射为{1，-1}的伪随机序列。

2、所述的对待嵌入水印的图像进行线性扫描，根据水印比特值对需嵌入水印的像素点的亮度进行调整中，衡像素点(i,j)的原始亮度为L(i,j)＝0.299R(i,j)+0.587G(i,j)+0.114B(i,j)，

R(i,j)表示红色分量，G(i,j)表示绿色分量，B(i,j)表示蓝色分量。

3、所述的调整适合的信号强度因子，确定水印在整个图像内的嵌入比例框架中，系数s应满足隐蔽性和鲁棒性。

4、所述的根据高斯像素加权掩码优化像素点周围的亮度值中，高斯分布的计算方式为：σ²应满足鲁棒性。

5、所述的结合线性空间滤波，赋予滤波区域中心更大的权重，并调整图像亮度，归一化像素点的亮度值步骤中，归一化像素点(I,j)的亮度值为L‘(i,j)：

6、所述的像素点嵌入水印步骤中，像素点(i,j)嵌入水印后的蓝色分量表示为：B′(i,j)＝B(i,j)+w(k)sL′(i,j)。

7、所述的使用像素预测公式，计算水印信息步骤中，通过求取附近像素点像素平均值来预测和估计目标坐标的像素值B”(i,j)：(像素预测公式)，去除反射的图像Irr得到蓝色信道值Brr(i,j)，使用像素预测公式得到B"(i,j)，进而计算水印信息w′(i,j)，水印比特值w'(i,j)在像素点(i,j)处通过等式获得：w′(i,j)＝Brr(i,j)-B"(i,j)式中，w'(i,j)可正可负，0被设置成阈值，w'(i,j)的符号被用来确立w(i,j)的值。

8、所述的和步骤一相同的伪随机比特流进行异或运算，反排列得到水印图像步骤中，w'(i,j)中的-1被换成0，结果和前面相同的伪随机比特流进行异或运算，然后反排列得到水印图像。

9、所述的与伪随机比特流进行异或运算重新排列得到真正水印信息步骤中，w(i,j)与伪随机比特流进行异或运算重新排列得到真正水印信息,w(i,j)∈{0,1}。

10、所述的畸变失真修复过程步骤中，地图图像畸变失真修复为用基于投影平移的图像校准技术修复失真图像，具体包括：(1)控制点选择：结合捕获图像和原始图像，选择特征点，得到图像的相关控制点对；(2)转换参数选取：使用投影转换，使用四对控制点来计算转换参数，投影转换定义如下：

a-h是位置参数，通过四对控制点确定，得到转换需要的信息输出；(3)通过映射新位置到输入图像的相应位置确定输出图像像素值。

11、所述的不良反射消减步骤中，采用基于梯度一致性的梯度投影策略去除闪光图像的镜面反射和闪光点，令Φ为闪光光谱图、α为周边光谱图，相机的成像引擎表示为：I＝F+A＝ΦP+αE，其中α和Φ公式为：Φ＝ρ cosθF/πd²，M(x，y)表示闪光图像和周围图像的梯度向量在像素点(x，y)的角相似性，梯度方向一致性形式化表示为：伪影形式化表示为未知噪声和其公式如下：令G＝[Gx，Gy]作为图像I的梯度领域，对于每个像素，梯度都按照角度φ旋转产生新的梯度领域G′＝[G′x，G′y]。其公式为：令图像I′作为根据梯度领域G′重构的图像，该图像通过求解泊松分布方程获得，div表示散度，G′的散度公式为：令符号→表示投影操作，闪光图像梯度投影到周围图像梯度获得的梯度场表示为：对于闪光灯产生的闪光点，采用饱和度映射检测，首先标准化图像亮度使其介于[0，1]，对于每个像素点(x，y)，饱和度权重ws与标准化图像亮度表示为：ws(x，y)＝tanh(σ*(I(x，y)-τs))，其中σ＝40，τs＝0.9，使用饱和度映射和一致性映射，通过线性加权闪光图像梯度和周围图像梯度得到新梯度场其公式为：由重建去除反光点的闪光图像，对于闪光灯产生的自反射现象，将周围图像梯度投影到闪光图像梯度，使用原始图像在闪光点附近的像素进行投影变换，获得的梯度场表示为：通过整合重建去除自反射的图像。

本发明所提出的基于颜色分量的水印方案及其增强技术能够实现电子海图的版权验证需求，当海图图像被非法拍摄或复印打印时，该水印方法能够适应多种后期图像处理需求，如几何矫正、反射消除等。

附图说明

图1地图图像畸变失真修复流程；

图2不良反射削减流程；

图3(1)打印复印操作后的随机测试效果；

图3(2)多次拍摄后的性能测试图3实验程序界面；

图4(1)打印复印地图的已有发明方法提取水印效果实例；

图4(2)打印复印地图的本发明方法提取水印效果实例；

图4(3)拍摄的地图的已有发明方法提取水印效果实例；

图4(4)拍摄的地图的本发明方法提取水印效果实例；

图5(1)被拍摄的含有水印的地图图像的闪光效果；

图5(2)被拍摄的含有水印的地图图像的反光效果；

图5(3)被拍摄的含有水印的地图图像的闪光及反光叠加效果；

图5(4)被拍摄的含有水印的地图图像的嵌入水印后的地图；

图6(1)闪光效果；

图6(2)反光效果；

图6(3)闪光及反光并存情况；

图7闪光情况下的实验效果表；

图8反光情况下的实验效果表；

图9闪光及反光并存情况下的实验效果表；

图10本发明的流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明作更详细的描述。

本发明用于版权保护的海图水印技术，载体为二维电子海图。开发环境为VC.6.0，实验实例中，做对比的已有方法为：K.Thongkor，T.Amornraksa，Digital image watermarking with partial embedding on blue color component[C]，Signal and information Processing Association Annual Summit and Conference，Siem Reap，2014，12：1-4。

主要包括两个方面：1.水印图像的嵌入方法和提取方法；2.水印方案的增强技术。

1.水印图像的嵌入和提取方法：

为了验证本发明的可靠性，特别利用本发明的方法进行了以下各种实验。实验分为两种情况：

第一种情况，利用屏幕抓图将电子海图保存为图像后，打印并复印，对于打印复印的设置均为随机，随机操作5次。

第二种情况，利用智能手机将电子海图随机拍摄十次，拍摄角度、光线强度均为随机，只要求拍摄完整海图图像，随机操作重复次。

实验结果如图3所示。

从图中数据结果可以看到，本发明所提出的方法要优于同类方法，无论是打印复印，还是拍摄操作后，所提取到的数字水印信息都具有更好的相似性。具体实验效果如图4所示。

2.水印方案的增强技术

为了验证本发明的可靠性，特别利用本发明的方法进行了以下各种实验。

针对方法的反射消减性能，选取了三幅有代表性的数字地图图像，如图5所示进行测试，这些图像来自于同一幅数字海图，且已经被嵌入了数字水印。利用苹果智能手机将这些图拍摄下来。

使用峰值信噪比来作为嵌入水印对原始载体图像引起失真程度的度量指标：

始终，M和N分别表示图像行列数目，I′(i，j，k)和I(i，j，k)分别表示嵌入水印后的海图图像和原始海图图像在像素(i，j)处的R，G，B颜色分量。

使用归一化系数Normalized Correlation(NC)来作为提取到水印与原始水印相似程度的度量指标：

w′(i，j)和w(i，j)分别表示在地图像素点(i，j)处提取到的水印和原始水印值。

如图6所示，本发明方法与其他同类方法在不同PSNR值下的NC值比较。

可以看到，在应对闪光、反光以及多种情况并存的条件下，本发明方法在提取水印方法具有更好的性能。如图7的表1-图9的表3所示，为不同方法提取到的数字水印图像。

从上述实验结果可以看出，本发明方法能够更好地保持原始数字水印图像的特征信息，能够更好地恢复和还原地图图像的颜色分量信息。因而，提取得到的水印信息具有更高的NC值。这种很好地反光消除性能，使得本发明方法在图像信噪越大的情况下，性能优势相较其他方法越明显。