海量GeoTIFF遙感圖像數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.北華航天工業學院 河北 065000; 2.航天遙感信息應用技術國家地萬聯合工程中心 河北 065000; 3.河北省航天遙感信息處理與應用協同創新中心 河北 065000 )

1 引言

數字水印技術是進行數字產品的版權保護以及完整性認證的有效方法，普遍應用于電子出版物版權保護領域，近些年在測繪、地理信息、軍事等領域也得到了廣泛應用[1-4]。數字水印技術在遙感圖像上應用時，并未很好地考慮遙感數據的獨有特征，只是將圖像水印技術直接應用到遙感數據水印技術中。在應用過程中，關注點也往往聚焦在數字水印算法的安全性上，忽略了嵌入水印的效率問題。遙感數據本身就具有典型的大數據特征[5]，近些年來隨著測繪地理信息產業的高速發展，遙感數據的數據量更是呈幾何級數迅速增加。由于不圖密級遙感圖像的安全性要求不同，在對非涉密圖像進行處理時，若在水印嵌入步驟浪費過多的時間，這不能滿足遙感數據的共享需求。

針對這一問題，提出一種根據海量遙感數據（GeoTIFF格式）的特征，通過數字水印技術將水印信息嵌入到遙感影像中的方法，即數字水印高速嵌入方法。該方法可以令水印信息成為遙感數據不可分離的一部分，由此來確定版權擁有者、分發路徑追溯、所有權認證、跟蹤侵權行為等[6]。在遙感數據進入大數據的時代下，該方法在嵌入效率上有著極大的優勢，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題，在可以抵抗裁剪、旋轉等幾何攻擊。在實際應用中，使用該方法開發出的遙感影像流轉監控系統，既能進行水印信息的管理又能以可視化的方式展示遙感數據的分發流轉路徑，很好地滿足了遙感數據的安全分發及共享需求。

2 原理

目前，將數字水印技術應用在遙感圖像上時，只是將圖像水印技術直接應用到遙感數據水印技術中并未很好的考慮遙感數據的獨有特征。數字水印算法的關注點也往往聚焦于算法的魯棒性，忽略了嵌入水印的效率問題，以目前數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）在適當控制嵌入水印強度后，能夠減少對遙感影響分類結果的影響[7]。基于離散余弦變換的算法（Discrete Cosine Transform，DCT）結合遙感圖像內容進行水印的自適應嵌入，水印的不可感知性和抗差性均有良好的表現[8]。將 DCT與DWT結合使用的混合域數字圖像水印算法[9]使得嵌入后的圖像具有良好的透明性和魯棒性。以混合域數字圖像水印算法為例，在實際應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，一幅圖像嵌入時間將近1.5分鐘嵌入效率約為每兆90毫秒，效率過低不能滿足每日海量遙感數據的水印嵌入需求。如果直接將水印信息嵌入文件尾部，雖然效率上占很大優勢但是安全性過低，當文件被攻擊時水印信息也會丟失。為了解決上述問題，提出了一種解決海量遙感數據（GeoTIFF格式）數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據的一種特殊的數據結構。GeoTIFF文件支持自定義參數，如果參數增加，可以在現有的框架內按照 TIFF6.0的規范定義新的標簽。因此，依據 GeoTIFF文件的特點，增加 GeoTIFF參數命名為GeoTagWaterMark，將水印信息加密后寫入到 GeoTagWaterMark標簽中。GeoTIFF文件支持自定義參數，根據TIFF6.0的規范增加一個標簽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，通過讀取GeoTIFF文件得到嵌入到GeoTagWaterMark中的水印信息，再進行解密操作，即可得到原始水印。在讀寫GeoTIFF文件時，通常使用LibGeoTiff庫來實現，LibGeoTiff是在LibTiff基礎上實現的專門針對GeoTIFF文件的開源庫。

3 遙感影像流轉監控系統

在實際應用中，利用提出的數字水印高速嵌入方法開發了遙感影像流轉監控系統。該系統分為節點管理、水印管理、節點拓撲圖、可視化數據展示等功能。在遙感數據分發過程中，每經過一個節點就會記錄節點相應信息（如源節點、目的節點、嵌入時間等），所有水印嵌入、提取、分發路徑等信息均以可視化的方式顯示在該系統中。為進一步提高效率，該系統中所有數據均已壓縮包的形式流轉，提取遙感數據包中的水印信息后即可得到該數據包相應的流轉路徑圖，達到了遙感數據的路徑追溯目的。追溯路徑示例圖如圖1所示。

圖1 追溯路徑示例圖

4 實驗驗證

為了對數字水印高速嵌入方法的嵌入效率及安全性進行驗證且使實驗結果具有一般性。選取兩張圖像進行實驗驗證，分別為國家高分一號衛星下的北華航天工業學院東區遙感圖像（GF1-NCIAE）和國家高分二號衛星下的北華航天工業學院東區遙感圖像（GF2-NCIAE）。嵌入的水印信息是包括編號、文件、嵌入日期、源節點、目的節點、水印內容等九個字段組合成的一段文字。

4.1 透明性和檢測性測試

圖2是對GF1-NCIAE進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上沒有任何差別，水印信息具有不可見性。圖2（c）水印嵌入過程與圖2（d）水印提取過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實驗結果圖

GF2-NCIAE測試結果與圖2相同，由于篇幅原因在此不贅述。通過對兩幅圖的透明性和檢測性測試可以看出，采用數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上沒有任何差別，水印信息具有不可見性。

4.2 抗攻擊能力與嵌入速度測試

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

表1 抗攻擊能力測試

在實際工程應用中，為節省 GeoTIFF數據包進行分發的時間，所有GeoTIFF數據包的分發都是以壓縮包（格式為.tar.gz）的形式進行的。因此，為更加精確的展示工程應用的實際結果，測試數據均使用壓縮后的GeoTIFF數據包。表2給出了不同大小的GeoTIFF數據包文件與水印嵌入速度的測試報告。

表2 嵌入速度測試報告

其中：TD（TestData）：測試數據，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次嵌入時間，單位ms；AT（Average Time）：嵌入水印的平均時間，單位ms；ms/M：每兆平均嵌入時間，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，其中還包括對數據包進行解壓縮和壓縮的時間，真正在水印嵌入上使用的時間＜81ms/M，與混合域數字圖像水印算法相比提高了10ms/M。

通過抗攻擊能力與嵌入速度測試可以看出，提出的數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[11]提出的水印圖像加密保護版權優化算法。但是在水印嵌入速度方面，提出的方式具有很大優勢，在如今遙感影像的數據規模已進入大數據時代的情況下，對滿足遙感數據的共享需求具有很大的參考價值。

5 結束語

根據GeoTIFF遙感數據的結構及特點，提出了一種利用數字水印算法對GeoTIFF文件進行數字水印高速嵌入的方法。利用該方法開發的遙感影像流轉監控系統，能夠根據數據包中嵌入的水印信息生成流轉路徑圖并以可視化的方式展示出來，達到了很好的版權保護及路徑追溯效果。通過實驗證明，該方法在水印嵌入效率上使用時間小于80ms/M并且可以抵抗旋轉、幾何剪切等常見攻擊，能很好地滿足目前地理信息產業大數據時代的數據共享需求。

下一步將在保持當前水印嵌入效率基準的情況下進一步提高數據分發的安全性，使圖像在受到噪聲、濾波、銳化等攻擊時嵌入的水印信息不被破壞。