一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法技术

本发明专利技术公开一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法，嵌入过程包括：原始彩色遥感影像R、G、B三个波段分别四元数小波分解，将三个波段中幅值低频系数构成三阶张量，再Tucker分解获得核心张量；将原始水印图像进行Arnold置乱变换；将置乱后的水印信息嵌入到核心张量中，重构张量以及四元数小波逆变换，得到含有水印的彩色遥感影像；提取步骤如下：含有水印的彩色遥感影像R、G、B三个波段分别进行四元数小波分解，将三个波段中幅值低频系数构成三阶张量，再进行Tucker分解获得核心张量；计算核张量的奇异值提取嵌入信息；通过Arnold置乱变换的逆变换获得水印信息。本发明专利技术提高水印的不可见性与抗攻击能力。

A method of embedding and extracting digital watermark for remote sensing image based on four element wavelet

The invention discloses a four yuan number of remote sensing images based on wavelet digital watermark embedding and extraction method, the embedding process includes: original color remote sensing image R, G, B and three bands respectively four yuan number of wavelet decomposition, the amplitude of low frequency coefficients of three bands in the three order tensor, then Tucker decomposition to obtain the core tensor; will the original watermark image by Arnold transform scrambling; scrambling after the watermark information is embedded into the core tensor, tensor and reconstruction of four element inverse wavelet transform, color remote sensing image watermark; extraction steps are as follows: the watermarked color image R, G, B, three bands were four yuan number wavelet decomposition, the amplitude of low frequency coefficients of three bands in the three order tensor, then Tucker decomposition to obtain the core tensor; singular value information extraction of the embedded computing kernel tensor; by Arnold scrambling The inverse transform is used to obtain watermark information. The invention improves the invisibility and the anti attack ability of the watermark.

【技术实现步骤摘要】
一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法
本专利技术属于遥感影像版权保护技术，具体涉及一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法。
技术介绍
遥感影像数据是国家基础性与战略性支撑成果之一，具有较高的科研与应用价值，广泛应用于环境监测、经济发展、城市规划中。随着遥感影像获取和应用进程的不断加快，地理信息系统网络化、移动化的发展趋势所带来的遥感影像安全保护问题也日益凸显，仅依靠现行的安全保密措施，根本无法有效组织与打击各种非法行为。因此，对遥感影像的信息安全的研究也逐渐成为热点。数字水印技术成为了解决此类问题的一个重要手段。它的基本原理是将能代表数据版权的信息以及其他保密信息生成水印信号，将其加载到文本、图像、音频和视频等数字多媒体文件中。该水印信号不会影响多媒体数据的视觉效果或者使用价值，并且在多媒体文件的使用过程中，生成的水印信号不会被消除和破坏。同时，我们可以通过一定的技术将嵌入的水印信号检测或提取出，用来解决版权纠纷，获取加密信息。因而，数字水印技术弥补了传统加密技术对多媒体文件保护的不足，成为多媒体产品进行版权保护和信息认证的有效技术。数字水印技术按隐藏的位置划分分为空间域算法和变换域算法。由于经过变换域算法嵌入水印后的影像鲁棒性较好，已经被广泛应用于数字水印
中。变换域算法中常用的算法包括离散傅里叶变换、离散余弦变换。但是基于传统小波变换的数字水印方法仍有许多不足，如小波变换存在平移敏感性、缺少相位信息等缺点，使得该方法在抗几何攻击方面较弱。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法，提高遥感数字影像中水印的不可见性与抗攻击能力。技术方案：本专利技术一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法，依次包括以下步骤：(1)水印嵌入过程(1.1)读取待嵌入水印的原始彩色遥感影像和要嵌入的灰度水印图像；(1.2)对彩色遥感影像的R、G、B三个分量分别进行四元数小波变换，分别得到每个分量的幅值低频带，再将这三个低频子带分量组合成三阶张量；(1.3)对三阶张量进行Tucker分解，获得三阶张量的核张量；(1.4)计算核张量的奇异值，对水印图像进行Arnold置乱加密，再利用嵌入公式将经过Arnold置乱后的水印图像的奇异值嵌入到核张量的奇异值中，获得嵌入水印后的核张量Am×n×p，m表示第一阶的大小，n表示第二阶的大小，p表示第三阶的大小；(1.5)对嵌入水印后的核张量做Tucker分解的逆变换，重构获得嵌入水印后的三阶张量；(1.6)进行四元数小波分解的逆变换，获得嵌入水印后的遥感影像；(2)水印提取过程(2.1)读取待提取的含有水印的彩色遥感影像；(2.2)对彩色遥感影像的R、G、B三个分量分别进行四元数小波变换，分别得到每个分量的幅值低频带，再将这三个低频子带分量组合成三阶张量；(2.3)对三阶张量进行Tucker分解，获得三阶张量的核张量；(2.4)计算核张量的奇异值，并按提取公式提取水印的奇异值，获得Arnold置乱变换后的加密的水印信息；(2.5)通过Arnold置乱变换的逆变换，获得水印信息。进一步的，所述步骤(1.2)和步骤(2.2)中的四元数小波变换具体过程为：通过对彩色遥感影像的R、G、B三个分量分别进行四元数小波变换，得到所述原始彩色遥感影像的三个基色分量；将R、G、B三个分量进行四元数小波变换，得到实部——虚部表示的四元数小波系数：q＝a+bi+cj+dk，其中i，j，k分别为三个虚数单位，a，b，c和d分别表示实数。进一步的，所述步骤(1.2)和步骤(2.2)中选取幅值低频系数的具体过程为：将实部——虚部表示的四元数小波系数转换为极坐标表示：其中q|为四元数的幅值，θ、ψ为四元数q的三个相位，且θ∈[-π/2,π/2]，ψ∈[-π/4,π/4]，则幅值与相位相对应的表达式为：并选取其中的低频子带，将幅值低频系数构成三阶张量，得到张量。进一步的，所述步骤(1.4)中对核张量G中三个分量进行奇异值分解，得到三个分量的奇异值λR，λG，λB，将Arnold置乱后的水印图像按嵌入公式λ＝λR+αλW进行嵌入，对λG，λB做相同的操作，其中λW为Arnold置乱后的水印图像的奇异值，α为嵌入强度系数。进一步的，所述步骤(2.4)中对张量G′中三个分量进行奇异值分解，得到三个分量的奇异值λR′，λG′，λB′，将水印图像的奇异值按提取公式λW＝(λR′-λ)/α进行提取，且对λG′，λB′做相同的操作，对被提取出来的水印做平均值处理。有益效果：本专利技术解决了目前彩色遥感影像嵌入水印过程中，R、G、B三个分量的相关性缺失，以及传统小波变换的不足，具有以下优点：(1)克服传统变换域水印中平移敏感性、较差的方向性、缺乏相位信息的缺点，在受到攻击的情况下能够提高数字水印的鲁棒性。(2)利用张量分解能够处理高维数据的特点，将三个波段信息集中到一起，增强了三个波段的相关性，从而增强水印的不可见性与稳定性。附图说明图1为本专利技术的水印嵌入流程图；图2为本专利技术的水印提取流程图；图3为实施例中原始彩色遥感影像与水印图；图4为实施例中彩色遥感影像嵌入水印再经过攻击后提取的效果图；其中，图3(a)为原始彩色遥感影像，图3(b)为待嵌入的水印图；图4(a)为经过0.001高斯噪声攻击后提取的水印效果图，图4(b)为经过0.005高斯噪声攻击后提取的水印效果图，图4(c)为经过0.01高斯噪声攻击后提取的水印效果图，图4(d)为经过0.005椒盐噪声攻击后提取的水印效果图，图4(e)为经过0.01椒盐噪声攻击后提取的水印效果图，图4(f)为经过0.03椒盐噪声攻击后提取的水印效果图，图4(g)为经过1/16裁剪攻击后提取的水印效果图，图4(h)为经过1/4裁剪攻击后提取的水印效果图，图4(i)为经过1/2裁剪攻击后提取的水印效果图，图4(j)为经过高通滤波攻击后提取的水印效果图，图4(k)为经过中值滤波攻击后提取的水印效果图，图4(l)为经过放大2倍后攻击后提取的水印效果图，图4(m)为经过缩小2倍后攻击后提取的水印效果图。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例1：对提出的算法进行了试验模拟并对结果进行分析，模拟实验是在MATLABR2015b环境下进行的，原始图像采用两幅彩色遥感影像，其大小均为512，水印图像大小的二值图像，嵌入强度α＝0.02。通过峰值信噪比PSNR与归一化相关系数NC，客观地分析实验结果。如图1所示，水印嵌入过程为：步骤一：嵌入水印前的数据准备。读取待嵌入水印的原始彩色遥感影像和要嵌入的灰度水印图像，如图3所示，其中彩色遥感影像大小为M×M，水印图像大小为N×N，并将水印信息转换成二值图像，记做W。步骤二：对彩色遥感影像的R、G、B三个分量分别进行四元数小波变换，取每个分量的幅值低频部分，组成三阶张量，具体步骤如下：(1)四元数小波变换。原始彩色遥感影像按R、G、B进行分解，得到所述原始彩色遥感影像的三个基色分量；将R、G、B三个分量进行四元数小波变换，得到实部——虚部表示的四元数小波系数：q＝a+bi+cj+dk。其中i，j，k分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法，其特征在于：依次包括以下步骤：(1)水印嵌入过程(1.1)读取待嵌入水印的原始彩色遥感影像和要嵌入的灰度水印图像；其中彩色遥感影像大小为M×M，水印图像大小为N×N，并将水印信息转换成二值图像，记做W；(1.2)对彩色遥感影像的R、G、B三个分量分别进行四元数小波变换，分别得到每个分量的幅值低频带，再将这三个低频子带分量组合成三阶张量；(1.3)对三阶张量进行Tucker分解，获得三阶张量的核张量；(1.4)计算核张量的奇异值，对水印图像进行Arnold置乱加密，再利用嵌入公式将经过Arnold置乱后的水印图像的奇异值嵌入到核张量的奇异值中，获得嵌入水印后的核张量；(1.5)对嵌入水印后的核张量做Tucker分解的逆变换，重构获得嵌入水印后的三阶张量A

【技术特征摘要】
1.一种基于四元数小波的遥感影像数字水印嵌入和提取方法，其特征在于：依次包括以下步骤：(1)水印嵌入过程(1.1)读取待嵌入水印的原始彩色遥感影像和要嵌入的灰度水印图像；其中彩色遥感影像大小为M×M，水印图像大小为N×N，并将水印信息转换成二值图像，记做W；(1.2)对彩色遥感影像的R、G、B三个分量分别进行四元数小波变换，分别得到每个分量的幅值低频带，再将这三个低频子带分量组合成三阶张量；(1.3)对三阶张量进行Tucker分解，获得三阶张量的核张量；(1.4)计算核张量的奇异值，对水印图像进行Arnold置乱加密，再利用嵌入公式将经过Arnold置乱后的水印图像的奇异值嵌入到核张量的奇异值中，获得嵌入水印后的核张量；(1.5)对嵌入水印后的核张量做Tucker分解的逆变换，重构获得嵌入水印后的三阶张量Am×n×p，m表示第一阶的大小，n表示第二阶的大小，p表示第三阶的大小；(1.6)进行四元数小波分解的逆变换，获得嵌入水印后的遥感影像；(2)水印提取过程(2.1)读取待提取的含有水印的彩色遥感影像；(2.2)对彩色遥感影像的R、G、B三个分量分别进行四元数小波变换，分别得到每个分量的幅值低频带，再将这三个低频子带分量组合成三阶张量；(2.3)对三阶张量进行Tucker分解，获得三阶张量的核张量；(2.4)计算核张量的奇异值，并按提取公式提取水印的奇异值，获得Arnold置乱变换后的加密的水印信息；(2.5)通过Arnold置乱变换的逆变换，获得水印信息。2.根据权利要求1所述的基于四元数小波的遥感影像数字水印方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗文，俞肇元，胡勇，袁林旺，王艳楠，胡靖瑶，闾国年，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32