基于快速响应矩阵码的瓦片遥感影像数字水印算法研究

摘要

遥感影像数据是国家的基础性和战略性信息资源，在地球科学研究和基础设施建设中发挥着十分重要的作用。随着互联网时代的到来，以Google Earth和“天地图”为代表的网络地理信息服务平台为遥感影像数据的网络化应用开辟了崭新的途径，极大地促进了遥感影像数据的共享与推广。
　　由于遥感影像数据具有海量性特征，网络地理信息服务平台所使用的遥感影像数据一般以瓦片的形式进行存储、管理和调用。瓦片遥感影像数据具有数量庞大、来源丰富、使用便捷和易于下载等特点，这些特点在满足用户需求的同时，也引发了侵权、泄密、非法使用和牟利等各种安全问题。为维护数据生产者的合法权益，打击各种违法侵权行为，亟需引入科学有效的技术手段强化瓦片遥感影像数据的安全管理。
　　数字水印技术作为信息安全领域的前沿技术，为瓦片遥感影像的安全保护提供了切实可行的技术途径。有别于传统的加密手段，数字水印技术将秘密水印信息与载体数据融为一体，通过水印检测，能够实现数据的版权保护、内容认证、侵权行为跟踪和来源追溯等功能，可以有效地解决瓦片遥感影像数据所面临的信息安全问题。
　　在研究瓦片遥感影像数字水印技术时，需要根据其数据特征选择合适的水印信息生成方式。现今流行的快速响应矩阵码（QR码，quick response code）具有信息容量大、纠错能力强和使用便捷等特点，能够很好地契合瓦片遥感影像的数据特征。采用QR码水印信息，可以有效提高瓦片遥感影像数字水印算法的不可感知性和鲁棒性。
　　本文将QR码技术与数字水印技术相结合，对瓦片遥感影像数字水印算法进行研究，主要研究工作和结论如下:
　　(1)基于瓦片遥感影像的数据特征，提出了瓦片遥感影像水印算法的技术要求，阐述了瓦片遥感影像的水印攻击方式和瓦片遥感影像水印技术的应用方向。
　　(2)基于水印信息的安全保密要求，提出了一种结合最佳置乱度计算和Arnold变换的QR码水印图像置乱方法，提高了水印信息的安全性。基于瓦片遥感影像的水印信息承载能力，提出了一种QR码水印图像数据压缩方法，在不影响QR码正确识读的前提下，有效地减少了嵌入瓦片遥感影像的水印信息的数据量。
　　(3)针对传统LSB水印算法鲁棒性较差的问题，提出了一种适用于瓦片遥感影像的改进算法。利用纠错编码机制进行水印嵌入和检测，提高了水印检测的准确性和对常规图像处理攻击的鲁棒性。针对几何攻击所造成的水印信息不同步问题，提出了一种基于像素值量化、扩频调制和区间分划的瓦片遥感影像水印算法。通过将影像的像素值转换为对几何攻击具有稳定性的区间值，很好地确定了水印信息嵌入位置和水印信息位之间的同步关系。算法能够有效地抵抗几何攻击。
　　(4)针对瓦片遥感影像的拼接处理特性，提出了一种基于定位块机制和分块DCT变换的瓦片遥感影像水印算法。通过构造定位块，解决了拼接和区域裁剪处理后含水印瓦片遥感影像的定位问题。在水印嵌入过程中，采用经过改进的量化机制在DCT域的DC分量中嵌入水印信息，满足了抗JPEG压缩攻击的要求。同时引入索引函数和误差控制，提高了算法的安全性和保真度。
　　(5)分析了DWT变换应用于瓦片遥感影像水印算法的优势，提出了一种结合DWT变换和DCT变换的抗复合攻击瓦片遥感影像水印算法。在水印嵌入过程中，采用矩阵编码方法，提高了水印嵌入效率，进一步增强了算法抗JPEG压缩攻击的能力，同时有效地平衡了算法的不可感知性和鲁棒性。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状和存在的问题

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 存在的问题

1．3 研究思路、技术路线与研究内容

1．3．1 研究思路和技术路线

1．3．2 研究内容

1．4 论文结构

第2章 瓦片遥感影像数字水印技术

2．1 数字水印技术

2．1．1 数字水印技术的定义及其特性

2．1．2 数字水印系统的基本架构

2．1．3 数字水印的分类

2．1．4 水印信息的分类及其特点

2．2 QR码技术

2．2．1 QR码简介

2．2．2 QR码图像的生成过程

2．2．3 QR码的特点

2．2．4 QR码水印信息的优势

2．3 QR码水印信息的适用性分析

2．3．1 瓦片遥感影像水印算法对水印信息的要求

2．3．2 QR码与文本水印信息的适用性比较

2．3．3 QR码与无意义水印信息的适用性比较

2．3．4 结论

2．4 瓦片遥感影像数字水印技术特征与要求

2．4．1 瓦片遥感影像概述

2．4．2 瓦片遥感影像数据特征及水印算法要求

2．4．3 瓦片遥感影像水印技术的评价指标

2．4．4 瓦片遥感影像的水印攻击方式

2．4．5 瓦片遥感影像水印技术的应用

2．5 本章小结

第3章 QR码水印信息预处理方法

3．1 QR码水印图像置乱处理方法

3．1．1 常用的图像置乱算法

3．1．2 双向Arnold变换

3．1．3 QR码水印图像最佳置乱度的计算

3．1．4 本节小结

3．2 QR码水印图像数据压缩方法

3．2．1 QR码水印图像的小波变换

3．2．2 QR码水印图像的符号结构分解

3．2．3 水印信息序列的压缩编码

3．2．4 本节小结

3．3 本章小结

第4章 瓦片遥感影像空间域水印算法

4．1 基于纠错编码机制的瓦片遥感影像水印算法

4．1．1 QR码水印图像的预处理

4．1．2 纠错编码机制的设计

4．1．3 水印信息嵌入位置的选择

4．1．4 水印嵌入算法

4．1．5 水印检测算法

4．1．6 算法说明与讨论

4．1．7 实验与分析

4．1．8 本节小结

4．2 抗几何攻击的瓦片遥感影像水印算法

4．2．1 QR码水印图像的预处理

4．2．2 瓦片遥感影像的抗拼接处理

4．2．3 水印嵌入算法

4．2．4 水印检测算法

4．2．5 算法说明与讨论

4．2．6 实验与分析

4．2．7 本节小结

4．3 本章小结

第5章 基于DCT变换的瓦片遥感影像水印算法

5．1 DCT变换与数字水印

5．1．1 DCT变换

5．1．2 DCT变换与数字水印

5．2 基于定位块机制和分块DCT变换的瓦片遥感影像水印算法

5．2．1 定位块机制的设计

5．2．2 量化机制的设计

5．2．3 索引函数的设计

5．2．4 水印嵌入算法

5．2．5 水印检测算法

5．2．6 算法说明与讨论

5．2．7 实验与分析

5．2．8 本节小结

5．3 本章小结

第6章 基于DWT／DCT变换的瓦片遥感影像水印算法

6．1 DWT变换与数字水印

6．1．1 CWT／DWT变换

6．1．2 DWT变换与数字水印

6．2 基于矩阵编码机制和DWT／DCT变换的瓦片遥感影像水印算法

6．2．1 小波基函数的选择

6．2．2 矩阵编码机制与水印信息嵌入位置的选择

6．2．3 水印嵌入算法

6．2．4 水印检测算法

6．2．5 算法说明与讨论

6．2．6 实验与分析

6．2．7 本节小结

6．3 本章小结

第7章 总结和展望

7．1 论文主要工作和结论

7．2 论文主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的研究成果

致谢