一種抗拼接的瓦片遙感數(shù)據(jù)水印算法

任 娜，朱長(zhǎng)青

(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇南京210046)

一、引 言

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遙感影像數(shù)據(jù)通常是以切片的形式存放于服務(wù)端，然而，這種瓦片存儲(chǔ)方式的遙感數(shù)據(jù)十分易于下載，以致目前瓦片數(shù)據(jù)非法下載、非法謀利等安全問題日益嚴(yán)重和突出，嚴(yán)重危害了數(shù)據(jù)擁有者的權(quán)益，擾亂了地理信息產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。

數(shù)字水印技術(shù)是信息安全領(lǐng)域發(fā)展起來的前沿技術(shù)，在地理空間數(shù)據(jù)安全保護(hù)中具有重要作用[1]。目前，關(guān)于遙感影像水印方法已有一些研究，主要集中在基于變換域的水印模型建立上，特別是基于DWT和離散余弦變換(DCT)的水印模型取得了重要的研究成果[2-6]。Barni和Caldelli將近無損數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用于遙感影像版權(quán)保護(hù)中，采用空域修剪方式將誤差進(jìn)行了有效控制[7-8]。Ziegeler分析比較了嵌入水印前后影像的分類效果[9]。陳輝研究了將數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用于遙感圖像版權(quán)保護(hù)的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[10]。任娜基于映射機(jī)制提出了一種魯棒性強(qiáng)的遙感影像水印算法[11]。然而，專門針對(duì)瓦片遙感數(shù)據(jù)的水印算法研究尚少。

瓦片遙感數(shù)據(jù)與普通的遙感數(shù)據(jù)具有一些相同的特征，但是二者在抗攻擊性方面有不同的要求，瓦片數(shù)據(jù)迫切需要抵抗的攻擊形式是拼接攻擊，單一的瓦片數(shù)據(jù)使用價(jià)值并不大，在使用過程中往往需要將多幅瓦片數(shù)據(jù)拼接起來。因此，對(duì)瓦片遙感數(shù)據(jù)水印技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

鑒于此，本文基于黃金分割法設(shè)計(jì)一種針對(duì)瓦片遙感數(shù)據(jù)的數(shù)字水印算法，在水印檢測(cè)時(shí)基于黃金分割法搜索機(jī)制快速定位到含有水印信息的影像塊，從而有效解決了瓦片數(shù)據(jù)拼接后水印檢測(cè)問題，保障了數(shù)據(jù)擁有者的權(quán)益。

二、瓦片遙感數(shù)據(jù)拼接特征

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遙感影像數(shù)據(jù)通常是以切片的形式存放于服務(wù)端，切片大小是256像素×256像素，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇范圍加載瓦片數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染方式響應(yīng)速度更快，更加方便快捷，是目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中常用方法。在網(wǎng)頁顯示或應(yīng)用過程中，通常需要將多幅瓦片遙感數(shù)據(jù)拼接起來，形成一幅或一系列覆蓋全研究區(qū)的較大的影像。這給水印提取算法帶來了新的困難。

瓦片遙感數(shù)據(jù)拼接后，水印信息提取時(shí)，只要從其中一部分影像中提取出水印信息，則可以證明其版權(quán)問題。因此，如果水印算法是抗裁剪、旋轉(zhuǎn)等幾何攻擊的話，在定位出含有水印信息影像塊的前提下，可以正確提取出水印信息。文獻(xiàn)[11]的算法可以有效抵抗裁剪、旋轉(zhuǎn)等幾何攻擊，本文將在該文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，研究抗拼接的瓦片遙感數(shù)據(jù)水印算法。

三、基于黃金分割法的瓦片數(shù)據(jù)水印檢測(cè)算法

文獻(xiàn)[11]的水印算法可以很好地抵抗幾何攻擊，在影像進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)、裁剪后能夠正確提取出水印信息，只要能夠準(zhǔn)確定位到含有水印信息的影像塊就可以實(shí)現(xiàn)水印信息的提取。因此，如何高效、合理地搜索定位含有水印信息的影像塊成為算法抗拼接攻擊的關(guān)鍵。

1．水印信息生成

在利用水印技術(shù)解決瓦片遙感數(shù)據(jù)版權(quán)問題的第1步是確定水印信息，本文采用了基于UTF編碼的水印信息生成方式，將有意義的水印信息進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)讀取有意義的文字。

2)按照編碼方式將讀取的文字信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制序列W=0，{}1，長(zhǎng)度為L(zhǎng)ength。采用這種方式生成的水印信息具有可逆性。

3)將生成的二進(jìn)制序列進(jìn)行擴(kuò)頻，長(zhǎng)度為N(Length≤N)。當(dāng)實(shí)際生成的二進(jìn)制長(zhǎng)度未能達(dá)到最大長(zhǎng)度時(shí)，用固定的水印位(如1)對(duì)二進(jìn)制序列進(jìn)行補(bǔ)齊。

4)為了增強(qiáng)水印信息的安全性，將補(bǔ)齊后的二進(jìn)制序列進(jìn)行置亂加密，置亂處理后得到的二值序列即為嵌入的水印信息W0。

2．水印嵌入和檢測(cè)

瓦片遙感影像拼接時(shí)，有可能將含有版權(quán)信息的瓦片遙感數(shù)據(jù)和不含有版權(quán)信息的瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行了拼接。此時(shí)，拼接前的水印信息并未消失，而無法正確檢測(cè)出水印信息的原因是未能搜索定位出含有水印信息的瓦片。黃金分割法是搜索優(yōu)化的經(jīng)典算法，可以將其擴(kuò)展到二維，分別進(jìn)行行、列的黃金分割，搜索出含有水印信息的影像塊，從而實(shí)現(xiàn)抗拼接的遙感影像水印算法。

本文利用文獻(xiàn)[11]的基于映射機(jī)制的水印嵌入規(guī)則，該算法將瓦片遙感數(shù)據(jù)與水印信息建立了多對(duì)一的函數(shù)關(guān)系，解決了水印信息不同步的問題，為瓦片數(shù)據(jù)抗拼接攻擊提供了前提。在進(jìn)行水印信息檢測(cè)時(shí)，將讀取的影像看作一個(gè)二維矩陣;依次進(jìn)行按行、列的黃金分割，分別在分割后的兩個(gè)矩陣中提取水印信息，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，保留相關(guān)系數(shù)大的那部分影像;重復(fù)進(jìn)行按行、列的黃金分割搜索定位影像塊;直至計(jì)算的相關(guān)系數(shù)大于預(yù)先設(shè)定的閾值，提取出水印信息，或者是分割后的影像塊大小小于等于預(yù)先設(shè)定的最小分塊大小，即256×256。

在二維空間中，通過不斷地進(jìn)行行、列的黃金分割篩選，不含水印的影像塊可以被快速排除，從而迅速縮短搜索區(qū)間，以便找出含有水印信息的影像塊，提高了算法的效率。

四、試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本文算法的有效性，采用了4幅灰度的瓦片遙感數(shù)據(jù)(大小均為256×256)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，對(duì)第1、2幅數(shù)據(jù)嵌入了版權(quán)信息：天地圖版權(quán)所有;第3、4幅數(shù)據(jù)未嵌入水印信息。

原始的瓦片遙感數(shù)據(jù)如圖1～4所示。

圖1

圖2

圖3

圖4

嵌入水印后的數(shù)據(jù)及檢測(cè)的水印信息如圖5～6所示。

圖5

圖6

下面進(jìn)行抗拼接試驗(yàn)。

1)試驗(yàn)1：將第1、2幅瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲得拼接后的數(shù)據(jù)I1。

2)試驗(yàn)2：將第1、2幅瓦片數(shù)據(jù)和第3幅瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲得拼接后的數(shù)據(jù)I2。

3)試驗(yàn)3：將第1、2幅瓦片數(shù)據(jù)和第3、4幅瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲得拼接后的數(shù)據(jù)I3。

4)試驗(yàn)4：將第1幅瓦片數(shù)據(jù)和3、4幅瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲得拼接后的數(shù)據(jù)I4。

對(duì)4個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行水印檢測(cè)，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 檢測(cè)結(jié)果表

從上表可以看出，4個(gè)不同的試驗(yàn)都可以正確提取出水印信息，且相關(guān)系數(shù)都很高。即使如試驗(yàn)4只有1片含有水印信息的瓦片數(shù)據(jù)其余3片不含有水印信息的數(shù)據(jù)干擾下，仍可以正確地提出水印信息。表明該算法可以有效抵抗瓦片遙感數(shù)據(jù)的拼接攻擊。

五、結(jié)束語

本文提出了一種基于黃金分割法搜索定位機(jī)制的抗拼接遙感數(shù)據(jù)水印算法。該算法可以快速、準(zhǔn)確地定位含有水印信息的影像塊，充分利用了瓦片遙感數(shù)據(jù)的像元值在拼接前后的特性，解決了拼接后水印信息的正確提取，極大地提高了水印算法的魯棒性，解決了目前瓦片遙感數(shù)據(jù)無法抵抗拼接攻擊的問題，有效保護(hù)了瓦片遙感數(shù)據(jù)的版權(quán)問題。

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