海量GeoTIFF遙感圖像數(shù)字水印高速嵌入研究

◆郭金盈 魏艷娜通訊作者，3 金永濤 ，2，3 周建偉 ，3 董 潔

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 河北 065000; 2.航天遙感信息應(yīng)用技術(shù)國(guó)家地萬(wàn)聯(lián)合工程中心 河北 065000; 3.河北省航天遙感信息處理與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心 河北 065000 )

1 引言

數(shù)字水印技術(shù)是進(jìn)行數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)以及完整性認(rèn)證的有效方法，普遍應(yīng)用于電子出版物版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域，近些年在測(cè)繪、地理信息、軍事等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。數(shù)字水印技術(shù)在遙感圖像上應(yīng)用時(shí)，并未很好地考慮遙感數(shù)據(jù)的獨(dú)有特征，只是將圖像水印技術(shù)直接應(yīng)用到遙感數(shù)據(jù)水印技術(shù)中。在應(yīng)用過(guò)程中，關(guān)注點(diǎn)也往往聚焦在數(shù)字水印算法的安全性上，忽略了嵌入水印的效率問(wèn)題。遙感數(shù)據(jù)本身就具有典型的大數(shù)據(jù)特征[5]，近些年來(lái)隨著測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量更是呈幾何級(jí)數(shù)迅速增加。由于不圖密級(jí)遙感圖像的安全性要求不同，在對(duì)非涉密圖像進(jìn)行處理時(shí)，若在水印嵌入步驟浪費(fèi)過(guò)多的時(shí)間，這不能滿足遙感數(shù)據(jù)的共享需求。

針對(duì)這一問(wèn)題，提出一種根據(jù)海量遙感數(shù)據(jù)（GeoTIFF格式）的特征，通過(guò)數(shù)字水印技術(shù)將水印信息嵌入到遙感影像中的方法，即數(shù)字水印高速嵌入方法。該方法可以令水印信息成為遙感數(shù)據(jù)不可分離的一部分，由此來(lái)確定版權(quán)擁有者、分發(fā)路徑追溯、所有權(quán)認(rèn)證、跟蹤侵權(quán)行為等[6]。在遙感數(shù)據(jù)進(jìn)入大數(shù)據(jù)的時(shí)代下，該方法在嵌入效率上有著極大的優(yōu)勢(shì)，水印嵌入的效率小于每兆81毫秒。另外，該方法兼顧了水印嵌入效率與安全性問(wèn)題，在可以抵抗裁剪、旋轉(zhuǎn)等幾何攻擊。在實(shí)際應(yīng)用中，使用該方法開(kāi)發(fā)出的遙感影像流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，既能進(jìn)行水印信息的管理又能以可視化的方式展示遙感數(shù)據(jù)的分發(fā)流轉(zhuǎn)路徑，很好地滿足了遙感數(shù)據(jù)的安全分發(fā)及共享需求。

2 原理

目前，將數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用在遙感圖像上時(shí)，只是將圖像水印技術(shù)直接應(yīng)用到遙感數(shù)據(jù)水印技術(shù)中并未很好的考慮遙感數(shù)據(jù)的獨(dú)有特征。數(shù)字水印算法的關(guān)注點(diǎn)也往往聚焦于算法的魯棒性，忽略了嵌入水印的效率問(wèn)題，以目前數(shù)字水印的主要算法中變換域算法為例。基于離散小波變換的算法（Discrete Wavelet Transformation，DWT）在適當(dāng)控制嵌入水印強(qiáng)度后，能夠減少對(duì)遙感影響分類結(jié)果的影響[7]。基于離散余弦變換的算法（Discrete Cosine Transform，DCT）結(jié)合遙感圖像內(nèi)容進(jìn)行水印的自適應(yīng)嵌入，水印的不可感知性和抗差性均有良好的表現(xiàn)[8]。將 DCT與DWT結(jié)合使用的混合域數(shù)字圖像水印算法[9]使得嵌入后的圖像具有良好的透明性和魯棒性。以混合域數(shù)字圖像水印算法為例，在實(shí)際應(yīng)用中一幅遙感圖像將近1G大小，在使用混合域算法嵌入水印時(shí)，一幅圖像嵌入時(shí)間將近1.5分鐘嵌入效率約為每兆90毫秒，效率過(guò)低不能滿足每日海量遙感數(shù)據(jù)的水印嵌入需求。如果直接將水印信息嵌入文件尾部，雖然效率上占很大優(yōu)勢(shì)但是安全性過(guò)低，當(dāng)文件被攻擊時(shí)水印信息也會(huì)丟失。為了解決上述問(wèn)題，提出了一種解決海量遙感數(shù)據(jù)（GeoTIFF格式）數(shù)字水印高速嵌入的方法。

與 SHP文件[10]相似，GeoTIFF文件是地理空間矢量數(shù)據(jù)的一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。GeoTIFF文件支持自定義參數(shù)，如果參數(shù)增加，可以在現(xiàn)有的框架內(nèi)按照 TIFF6.0的規(guī)范定義新的標(biāo)簽。因此，依據(jù) GeoTIFF文件的特點(diǎn)，增加 GeoTIFF參數(shù)命名為GeoTagWaterMark，將水印信息加密后寫入到 GeoTagWaterMark標(biāo)簽中。GeoTIFF文件支持自定義參數(shù)，根據(jù)TIFF6.0的規(guī)范增加一個(gè)標(biāo)簽GeoTagWaterMark專門存放加密后的水印信息，使得水印信息成為文件不可分割的一部分，因此可以抵抗裁剪、旋轉(zhuǎn)等幾何攻擊而且嵌入水印的速度極快（平均81ms/M）。水印信息的提取和嵌入基本上是逆操作，通過(guò)讀取GeoTIFF文件得到嵌入到GeoTagWaterMark中的水印信息，再進(jìn)行解密操作，即可得到原始水印。在讀寫GeoTIFF文件時(shí)，通常使用LibGeoTiff庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，LibGeoTiff是在LibTiff基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的專門針對(duì)GeoTIFF文件的開(kāi)源庫(kù)。

3 遙感影像流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

在實(shí)際應(yīng)用中，利用提出的數(shù)字水印高速嵌入方法開(kāi)發(fā)了遙感影像流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為節(jié)點(diǎn)管理、水印管理、節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D、可視化數(shù)據(jù)展示等功能。在遙感數(shù)據(jù)分發(fā)過(guò)程中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)記錄節(jié)點(diǎn)相應(yīng)信息（如源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、嵌入時(shí)間等），所有水印嵌入、提取、分發(fā)路徑等信息均以可視化的方式顯示在該系統(tǒng)中。為進(jìn)一步提高效率，該系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)均已壓縮包的形式流轉(zhuǎn)，提取遙感數(shù)據(jù)包中的水印信息后即可得到該數(shù)據(jù)包相應(yīng)的流轉(zhuǎn)路徑圖，達(dá)到了遙感數(shù)據(jù)的路徑追溯目的。追溯路徑示例圖如圖1所示。

圖1 追溯路徑示例圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)數(shù)字水印高速嵌入方法的嵌入效率及安全性進(jìn)行驗(yàn)證且使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一般性。選取兩張圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別為國(guó)家高分一號(hào)衛(wèi)星下的北華航天工業(yè)學(xué)院東區(qū)遙感圖像（GF1-NCIAE）和國(guó)家高分二號(hào)衛(wèi)星下的北華航天工業(yè)學(xué)院東區(qū)遙感圖像（GF2-NCIAE）。嵌入的水印信息是包括編號(hào)、文件、嵌入日期、源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、水印內(nèi)容等九個(gè)字段組合成的一段文字。

4.1 透明性和檢測(cè)性測(cè)試

圖2是對(duì)GF1-NCIAE進(jìn)行水印嵌入和水印提取的情況。可以看出圖2（a）GF1-NCIAE與圖2（b） 嵌入水印GF1-NCIAE在嵌入水印前后視覺(jué)上沒(méi)有任何差別，水印信息具有不可見(jiàn)性。圖2（c）水印嵌入過(guò)程與圖2（d）水印提取過(guò)程兩幅圖像展示的提取出的水印信息正確且完整。

圖2 GF1-NCIAE實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

GF2-NCIAE測(cè)試結(jié)果與圖2相同，由于篇幅原因在此不贅述。通過(guò)對(duì)兩幅圖的透明性和檢測(cè)性測(cè)試可以看出，采用數(shù)字水印高速嵌入方法嵌入水印后的遙感圖像在水印嵌入前后視覺(jué)上沒(méi)有任何差別，水印信息具有不可見(jiàn)性。

4.2 抗攻擊能力與嵌入速度測(cè)試

通常，對(duì)含水印圖像的攻擊方式主要包括幾何剪切、旋轉(zhuǎn)、平滑濾波、平移、圖像增強(qiáng)、仿射等。表1給出了對(duì)含水印的圖像進(jìn)行上述常見(jiàn)圖像處理與攻擊以后，所提取出的數(shù)字水印信息是否完整及其峰值信噪比（PSNR）的情況。

表1 抗攻擊能力測(cè)試

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為節(jié)省 GeoTIFF數(shù)據(jù)包進(jìn)行分發(fā)的時(shí)間，所有GeoTIFF數(shù)據(jù)包的分發(fā)都是以壓縮包（格式為.tar.gz）的形式進(jìn)行的。因此，為更加精確的展示工程應(yīng)用的實(shí)際結(jié)果，測(cè)試數(shù)據(jù)均使用壓縮后的GeoTIFF數(shù)據(jù)包。表2給出了不同大小的GeoTIFF數(shù)據(jù)包文件與水印嵌入速度的測(cè)試報(bào)告。

表2 嵌入速度測(cè)試報(bào)告

其中：TD（TestData）：測(cè)試數(shù)據(jù)，格式為壓縮包（.gz.tar）；BS（Before Size）：嵌入水印前大小，單位M；AS（After Size）：嵌入水印后大小，單位 M；Sub（subtraction）：嵌入水印前后差值，單位M； Sub/M：每兆平均相差，單位M；T1（Time1）- T3（Time3）：3次嵌入時(shí)間，單位ms；AT（Average Time）：嵌入水印的平均時(shí)間，單位ms；ms/M：每兆平均嵌入時(shí)間，單位ms/M。

從表2可以看出提出的方法水印嵌入的效率約每兆81毫秒，其中還包括對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓縮和壓縮的時(shí)間，真正在水印嵌入上使用的時(shí)間＜81ms/M，與混合域數(shù)字圖像水印算法相比提高了10ms/M。

通過(guò)抗攻擊能力與嵌入速度測(cè)試可以看出，提出的數(shù)字水印高速嵌入方法只能抵抗一定程度的幾何攻擊，抗攻擊能力不如文獻(xiàn)[11]提出的水印圖像加密保護(hù)版權(quán)優(yōu)化算法。但是在水印嵌入速度方面，提出的方式具有很大優(yōu)勢(shì)，在如今遙感影像的數(shù)據(jù)規(guī)模已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代的情況下，對(duì)滿足遙感數(shù)據(jù)的共享需求具有很大的參考價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)GeoTIFF遙感數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，提出了一種利用數(shù)字水印算法對(duì)GeoTIFF文件進(jìn)行數(shù)字水印高速嵌入的方法。利用該方法開(kāi)發(fā)的遙感影像流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)包中嵌入的水印信息生成流轉(zhuǎn)路徑圖并以可視化的方式展示出來(lái)，達(dá)到了很好的版權(quán)保護(hù)及路徑追溯效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該方法在水印嵌入效率上使用時(shí)間小于80ms/M并且可以抵抗旋轉(zhuǎn)、幾何剪切等常見(jiàn)攻擊，能很好地滿足目前地理信息產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)共享需求。

下一步將在保持當(dāng)前水印嵌入效率基準(zhǔn)的情況下進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)分發(fā)的安全性，使圖像在受到噪聲、濾波、銳化等攻擊時(shí)嵌入的水印信息不被破壞。