一种基于QR码的遥感影像数字水印的嵌入及提取方法技术领域
本发明属于地理信息安全领域，具体涉及一种基于QR码的遥感影像数字水的印嵌
入及提取方法。
背景技术
遥感影像作为国家重要的基础性和战略性信息资源，被广泛应用于我国各个领
域。但是，随着大数据和云计算的迅猛发展，地理空间数据的交流和传播越来越便捷，使得
侵权者能够轻易地复制和传播未经授权的遥感影像。其数据信息安全的缺失将导致数据生
产者和所有者蒙受巨大的经济损失。此外，遥感影像经过恶意更改，随意传播不仅会影响到
数据自身的使用价值，还会造成决策错误，影响政府政务，危害国家地理信息安全。因此，保
护遥感影像数据安全成为当前的首要任务。
数字水印技术作为一种崭新的信息安全技术，通过水印信息与载体数据的紧密融
合，实现数据产品的版权保护、内容认证和来源追溯等功能，为遥感影像数据的安全保护提
供了一种切实可行的解决途径。常见的水印信息主要包括有意义水印和无意义水印两部
分，大多数以二值图像和随机序列的形式存在。相比之下，当下流行的QR码凭借超高速、全
方位识读以及高数据容量等特点，被应用于水印信息生成过程中。同时，QR码自身的强纠错
性使得QR码在遭遇一定攻击的时候，也可以被正确解译出水印信息。因此，选择QR码作为水
印信息，有助于有效提高水印方法的鲁棒性。
而目前已有的研究成果，大部分研究者只是把QR码作为水印信息生成方式的一
种，并没有深入研究QR码的生成原理，水印信息的数据量并未得到有效的压缩，QR码自身的
纠错性没有被充分的发挥。
发明内容
本发明针对采用QR码作为水印信息生成方式的水印算法存在的嵌入数据量大，算
法难以抵抗任意位置裁剪攻击和复合攻击，鲁棒性较差等问题，提出了一种基于QR码的遥
感影像数字水印方法。该方法利用QR码的编码机制，对水印信息进行了数据压缩和预处理，
有效降低了嵌入数据量。同时，本方法在实现水印的不可见性及盲检测的基础上，能够有效
地抵抗压缩、裁剪等普通攻击以及复合攻击，具有较强的鲁棒性。
为了实现上述发明目的，本发明所提出的基于QR码的遥感影像数字水印的嵌入方
法，其步骤如下：
步骤一、水印信息的生成及预处理
步骤1.1：设定一段具有某含义的文字或者符号信息，并读取；
步骤1.2：确定要生成QR码的版本号以及纠错等级，根据QR码的生成规则将读取的
文字或符号信息转化成为二进制的二维数组W0＝{0,1}。
步骤1.3：根据步骤1.2选择生成QR码的版本号和纠错等级，去掉QR码空白区、位置
探测图形、定位图形、校正图像以及格式和版本信息等固定信息，保留数据编码和纠错编码
两部分信息，同时继续对数据编码部分进行处理；按照GB/T 18284-2000快速响应矩阵码标
准中所规定的数据容量与步骤1.1中文字或符号信息生成的数据编码数量作对比，去除因
不满足快速响应矩阵码标准中所规定的数据编码容量而补齐的数据码字，进而保留真正的
数据编码信息，最终得到待嵌入水印信息，其总长度为L。
步骤1.4：将待嵌入的一维水印信息转换成二维数组的形式，已知待嵌入水印信息
的长度为L，取最接近的两个整数a和b，使得a×b＝L，其中a和b分别为二维数组的行列
数；步骤1.5：对待嵌入的二维水印信息进行扩频，行列数分别增加1，在新增的第一行和第
一列位置中添加值全为0的特征水印，得到二维水印信息W，其行列分别为(a+1)和(b+1)。
步骤二、水印的嵌入
步骤2.1：读取遥感影像数据并预处理，根据待嵌入水印信息的行数和列数，将遥
感影像分割成多个互不重叠的矩阵块，每个矩阵块的长a1和宽b1分别是水印信息的行数和
列数的8倍，即a1＝8×(a+1)，b1＝8×(b+1)。
步骤2.2：对每一块遥感影像数据进行8×8分块的DCT变换。
步骤2.3：取出按步骤2.1对遥感影像进行预处理分块之后的每一个8×8分块DCT
变换后的低频直流系数Dij[0,0]，对低频值进行量化λij＝round(Dij/ξ)，其中round运算为
舍入取整操作，ξ为量化步长。将纠错编码信息嵌入到低频直流系数中，公式如下：
式中：Wij是指待嵌入水印信息的纠错编码部分信息。
步骤2.4：取出按步骤2.1对遥感影像进行预处理分块之后的每一个8×8分块DCT
变换后的中频系数[4,2]、[4,3]和[5,3]，比较[4,2]、[4,3]和[5,3]三组值得大小，将数据
编码信息嵌入到其中。当嵌入的水印信息是1时，[4,2]赋予次大值，[4,3]赋予最大值，[5,
3]赋予最小值；当嵌入的水印信息是0时，[4,2]赋予最大值，[4,3]赋予最小值，[5,3]赋予
次大值。
步骤2.5：对嵌入水印后的遥感影像进行DCT逆变换，得到含水印的遥感影像。
本发明所提出的基于QR码的遥感影像数字水印的提取方法，其步骤如下：
步骤A、水印的提取
步骤A.1：分块读取遥感影像，从坐标起始点[i,j](初始化i＝0,j＝0)开始获取长
和宽分别为a2＝16×(a+1)和b2＝16×(b+1)的子像素矩阵；
步骤A.2：对子像素矩阵进行8×8分块的DCT变换，寻找一个DCT特征块，其所在位
置向右(a+1)个DCT分块以及向下(b+1)个DCT块中提取的水印都为0。若未找到符合该条件
的DCT特征块，则按照步骤A.1中的方法移动坐标起始点[i,j]重新获取子像素矩阵并重新
执行步骤A.2，直到找到符合条件的DCT特征块，此时提取的水印为水印信息的起始位，开始
提取水印；步骤A.3：提取纠错编码部分的水印信息，取各8×8分块DCT变换后的低频值D′ij，
计算量化值λij＝floor(Dij/ξ)。其中，floor为取整操作。提取水印公式如下：
式中：Wij′是指提取的水印信息中的纠错编码部分信息。
步骤A.4：提取数据编码部分的水印信息，取各8×8分块DCT变换后的中频[4,2]、
[4,3]和[5,3]。比较[4,3]和k*([4,2]+[5,3])的大小，其中k(k参数的名称)取0.48。若[4,
3]＞＝k*([4,2]+[5,3])，则提出的水印信息为1；反之，提出的水印信息为0。
步骤B、水印信息的重组
步骤B.1：将水印预处理部分未保留的水印信息和提取的水印信息进行融合，生成
QR码。
步骤B.2：水印检测结果输出。
本发明方法充分利用了QR码的编码机制，对水印信息进行了数据压缩和预处理，
有效降低了嵌入数据量。同时，在嵌入水印信息前，预先嵌入特征水印信息。在水印的检测
过程中，首先通过特征水印的识别判定，快速、准确地定位到含水印信息的遥感影像块。不
仅可以保证水印的不可见性及盲检测，而且能够有效地抵抗压缩、裁剪等普通攻击以及复
合攻击，具有较强的鲁棒性。
附图说明
图1是QR码水印信息。
图2是测试遥感影像。
图3是含水印的遥感影像。
图4是提取的水印信息。
图5是任意裁剪的含水印遥感影像。
图6是对图5提取出的水印信息。
图7是抗JPEG压缩攻击测试数据表。
图8是抗裁剪攻击测试数据表。
图9是复合攻击测试数据表。
图10是本发明方法遥感影像数字水的印嵌入程序框图。
具体实施例
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
本实例选择分辨率为5145×4601遥感影像作为实验数据，生成QR码的版本号为3，
Byte模式的编码方式，纠错等级规定为第四级H，规格大小是87*87。针对水印的生成和预处
理、遥感数据的分块读取、水印的嵌入和检测，检查结果输出等整个过程，给出本发明的一
个实施例，进一步详细说明本发明。
1.水印信息的生成及预处理
步骤1.1：设定一段具有某含义的文字或者符号信息，本实施例设定的水印信息为
WaterMarking。
步骤1.2：将水印信息生成QR码，生成QR码的版本号为3以及纠错等级为H，根据QR
码的生成规则，将步骤1.1中设定的水印信息转换成为大小为87×87二进制的二维数组。
步骤1.3：版本号为3、纠错等级为H的QR码可以嵌入24个英文字符或者8个中文字
符。保留真正的数据编码信息，即：首先去除QR码空白区、位置探测图形、定位图形、校正图
像以及格式和版本信息等固定部分信息；之后将GB/T 18284-2000快速响应矩阵码标准中
规定可嵌入24个英文字符与实际嵌入的“WaterMarking”12个英文字符作对比，去除该标准
中规定补齐的数据码字，最终得到待嵌入水印信息的总长度为＝448。
步骤1.4：将待嵌入的一维水印信息转换成二维数组的形式。。首先明确水印信息
长度为448，经计算最接近的值为21，经实验之后，16和28是最先找到的满足两数之积
是448的一组数值，因此最终选定16和28作为二维数组的行列数。注：其他乘积为448的整数
值也可作为行列数，可自行选择。
步骤1.5：对待嵌入的水印信息矩阵进行扩频，行列数分别增加1，在新增的第一行
和第一列位置中添加值全为0的特征水印，得到水印信息矩阵W,，其行列数分别为17和29。
2.水印的嵌入过程
步骤2.1：遥感影像数据的读取和预处理，根据待嵌入水印信息的行数和列数，将
遥感影像分割成互不重叠的矩阵块，每个矩阵块的长和宽分别是232和136。
步骤2.2：对每一块遥感影像数据进行8×8分块的DCT变换。
步骤2.3：取出按步骤2.1对遥感影像进行预处理分块之后的每一个8×8分块DCT
变换后的低频直流系数Dij[0,0]，对低频值进行量化λij＝round(Dij/ξ)，其中round运算为
舍入取整操作，ξ为量化步长，本方法中ξ取30。将纠错编码信息嵌入到低频直流系数中，公
式如下：
式中：Wij是指待嵌入水印信息的纠错编码部分信息。
步骤2.4：取出按步骤2.1对遥感影像进行预处理分块之后的每一个8×8分块DCT
变换后的中频系数[4,2]、[4,3]和[5,3]，比较[4,2]、[4,3]和[5,3]三组值得大小，将数据
编码信息嵌入到其中。当嵌入的水印信息是1时，[4,2]赋予次大值，[4,3]赋予最大值，[5,
3]赋予最小值；当嵌入的水印信息是0时，[4,2]赋予最大值，[4,3]赋予最小值，[5,3]赋予
次大值。
步骤2.5：对嵌入水印后的遥感影像进行DCT逆变换，得到含水印的遥感影像。
3.水印的提取过程
步骤3.1：分块读取遥感影像，从坐标起始点[i,j](初始化i＝0,j＝0)开始获取长
和宽分别为464像素×272像素的子像素矩阵；8×8步骤3.2：对步骤3.1得到的子像素遥感
矩阵进行8×8分块的DCT变换，寻找一个DCT特征块，其所在位置向右17个DCT分块以及向下
29个DCT块中提取的水印都为0。若未找到符合该条件的DCT特征块，则按照步骤3.1中的方
法移动坐标起始点[i,j]重新获取子像素矩阵并重新执行步骤3.2，直到找到符合条件的
DCT特征块，此时提取的水印为水印信息的起始位，开始提取水印；步骤3.3：提取纠错编码
部分的水印信息，取各8×8分块DCT变换后的低频值D′ij，计算量化值λij＝floor(Dij/ξ)。其
中，floor为取整操作。提取水印公式如下：
式中：Wij′是指提取的水印信息中的纠错编码部分信息。
步骤3.4：提取数据编码部分的水印信息，取各8×8分块DCT变换后的中频[4,2]、
[4,3]和[5,3]。比较[4,3]和k*([4,2]+[5,3])的大小，其中k取0.48。若[4,3]＞＝k*([4,2]
+[5,3])，则提出的水印信息为1；反之，提出的水印信息为0。
4.水印信息的重组
步骤4.1：将水印预处理部分未保留的水印信息和提取的水印信息进行融合，生成
QR码。
步骤4.1：水印检测结果输出。
本方法的特点与技术优势：
(1)本方法中最为关键的是QR码的预处理。充分考虑QR码的编码机制，将待嵌入的
水印信息的数据量降到最低，提高了水印信息的数据压缩比。
(2)本方法基于QR码自身的强自纠错等特点，将水印信息分为数据编码和纠错编
码两部分。其中，将纠错编码部分和数据编码部分信息分别嵌入到DCT变换后的低频系数和
中频系数，保证水印信息的不可见性及盲检测特性。
(3)特征水印的嵌入，使得本方法能够有效地抵抗压缩、裁剪等普通攻击以及复合
攻击，具有较强的鲁棒性。
测试与分析：
本发明所提出的方法专门针对将QR码作为水印信息的遥感影像水印的嵌入和提
取方法，可以有效的降低嵌入数据量，增强数字水印方法的鲁棒性。
(1)压缩攻击
对含水印信息的遥感影像数据，按照不同的压缩品质进行JPEG压缩。压缩后，再对
这些数据进行水印信息提取。实验结果表明：该方法在压缩品质3以上时可以有效抵抗JPEG
压缩攻击。测试结果如图7的表中所示。
(2)裁剪攻击
用户往往会根据自身需求对遥感影像进行裁剪将其进行裁剪，因而，数字水印方
法有必要具备抵抗任意位置裁剪攻击的能力。
对含水印的遥感影像数据进行任意位置的裁剪，仍能准确地提取出水印信息。测
试结果如图8的表中所示。
(3)复合攻击
鲁棒性好的数字水印方法要求能够在一定程度上抵抗复合攻击。本方法可以抵抗
压缩和裁剪复合攻击，提出的水印信息完全正确。测试结果如图9的表中所示。