本發(fā)明屬于地理空間數(shù)據(jù)信息安全保護領域，具體涉及一種針對小數(shù)據(jù)量水印信息載體的QR碼水印圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼方法。

背景技術：

瓦片遙感影像數(shù)據(jù)和瓦片柵格地圖數(shù)據(jù)是以“天地圖”為代表的地理信息公共服務平臺的重要數(shù)據(jù)源，隨著網(wǎng)絡地理數(shù)據(jù)服務的普及，瓦片數(shù)據(jù)來源豐富和便于下載等特點所引發(fā)的非法使用和牟利等安全問題日益凸顯，直接影響了數(shù)據(jù)所有者的權益和共享積極性，亟需引入科學有效的技術手段解決瓦片數(shù)據(jù)的信息安全問題。

數(shù)字水印技術是新興和前沿的信息安全技術，它過水印信息與載體數(shù)據(jù)的緊密融合實現(xiàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的版權保護、內(nèi)容認證和來源追溯等功能，是解決瓦片數(shù)據(jù)安全管理問題有效的技術手段。

在數(shù)字水印的技術體系中，水印信息是數(shù)字水印處理過程中的第一個關鍵步驟，選擇合適的水印信息生成與預處理方式能夠在很大程度上提高數(shù)字水印算法的不可見性和魯棒性；同時，也會對水印檢測結果的可靠性構成直接影響。作為整個數(shù)字水印體系中與載體數(shù)據(jù)關系最為密切的組成部分，水印信息的生成與預處理過程需要充分考慮載體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征和應用需求。

瓦片數(shù)據(jù)具有尺寸恒定、單幅數(shù)據(jù)量小的鮮明特征，決定了應用于瓦片數(shù)據(jù)的數(shù)字水印算法必須嚴格控制嵌入數(shù)據(jù)量，以適應載體數(shù)據(jù)的信息承載能力；然而較小的嵌入數(shù)據(jù)量等同于長度較短的水印信息序列，將難以表征和證實數(shù)據(jù)產(chǎn)品的版權歸屬。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對水印信息承載能力有限的小數(shù)據(jù)量瓦片數(shù)據(jù)，提出一種QR碼水印圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼方法，通過相應的處理流程，在保證版權信息的表征不受影響的基礎上有效地控制嵌入數(shù)據(jù)量，協(xié)調(diào)與解決嵌入數(shù)據(jù)量與載體數(shù)據(jù)的水印信息承載能力之間的矛盾。

QR碼具有信息容量大、編碼支持廣、自糾錯能力強、識讀速度快等優(yōu)點，能夠對數(shù)字型數(shù)據(jù)、字母數(shù)字型數(shù)據(jù)、8位字節(jié)型數(shù)據(jù)、日本漢字字符和中國漢字字符等多種不同類型的數(shù)據(jù)進行編碼，是版權信息的理想載體。本發(fā)明方法，對包含版權信息的QR碼水印圖像進行數(shù)據(jù)壓縮和編碼，使其轉換為長度較短的一維二值水印信息序列，在保留QR碼信息容量的基礎上有效控制了嵌入數(shù)據(jù)量，能夠很好地應用于以小數(shù)據(jù)量瓦片數(shù)據(jù)為載體的數(shù)字水印算法設計。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采取的技術方案包括以下步驟：

步驟一、生成QR碼水印圖像

步驟1.1：選定版權信息，包括數(shù)據(jù)生產(chǎn)者信息、用戶信息、時間信息和分發(fā)信息。

步驟1.2：選定待生成QR碼水印圖像的版本號、糾錯等級、原胞大小、空白區(qū)域和掩模模式。

步驟1.3：根據(jù)QR碼生成機制生成對應的QR碼水印圖像。

步驟二、QR碼水印圖像的數(shù)據(jù)壓縮

步驟2.1：讀取待壓縮的QR碼水印圖像（步驟一生成的QR碼水印圖像）。

步驟2.2：對QR碼水印圖像進行L層二維離散小波變換，本發(fā)明中取。

步驟2.3：在二維離散小波變換（DWT變換）后得到的4個子帶中，提取低頻子帶LL1。

步驟2.4：對低頻子帶進行二值化處理，將其轉換為對應的二值圖像。

步驟三、QR碼水印圖像的符號結構分解

步驟3.1：讀取步驟2.4轉換后的二值圖像。

步驟3.2：從讀取的二值圖像中分離出空白區(qū)域、位置探測圖形、定位圖形、校正圖形和版本及格式信息，二值圖像的其他區(qū)域為圖像剩余區(qū)域。

步驟3.3：利用分塊讀取、逐行掃描的方式從圖像剩余區(qū)域中提取數(shù)據(jù)及糾錯編碼。

步驟3.4：將數(shù)據(jù)及糾錯編碼重排列為一維二值水印信息序列Wm。

步驟四、一維二值水印信息序列Wm的壓縮編碼

步驟4.1：對一維二值水印信息序列Wm進行分組，分組長度N=3，末尾不足位的分組用“0”填充。

步驟4.2：根據(jù)一維二值水印信息序列Wm分組的直接編碼對分組進行分類，共分3類。黑基、白基和混合基，其中黑基為直接編碼全“0”的分組，白基為直接編碼全“1”的分組，混合基為直接編碼中同時包含“0”和“1”的分組。

步驟4.3：為黑基分配壓縮編碼，用壓縮編碼“0”替代直接編碼“000”。

步驟4.4：為白基分配壓縮編碼，用壓縮編碼“10”替代直接編碼“111”。

步驟4.5：對于直接編碼為“001”和“100”的混合基，將其中的“1”反轉為“0”，采用黑基的壓縮編碼表達。

步驟4.6：對于直接編碼為“110”和“011”的混合基，將其中的“0”反轉為“1”，采用白基的壓縮編碼表達。

步驟4.7：對于直接編碼為“101”和“010”的混合基，沿用直接編碼。

步驟4.8：對所有分組按照步驟4.3至步驟4.7所述方法進行重壓縮編碼。

步驟4.9：提取壓縮編碼后的一維二值水印信息序列用于嵌入載體數(shù)據(jù)。

本發(fā)明利用QR碼作為水印信息的生成方式，發(fā)揮QR碼信息容量大，編碼支持廣的特點，保證了版權信息的有效表征。通過對QR碼水印圖像進行DWT變換和符號結構分解，實現(xiàn)了QR碼水印圖像的數(shù)據(jù)壓縮；在此基礎上，對待嵌入載體數(shù)據(jù)的一維二值水印信息序列，引入結合了無損編碼與有損編碼的改進型跳塊編碼方式，進一步縮短了水印信息序列的長度，有效地控制了嵌入數(shù)據(jù)量。QR碼自身所具備的強大的自糾錯能力支撐了有損編碼機制的使用，確保重編碼后的水印信息序列能夠被正確地解碼和掃碼識讀。本發(fā)能夠將QR碼水印圖像進行高壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮，最終嵌入載體數(shù)據(jù)的是長度較短的二值序列，同時不會影響QR碼中保存的版權信息，解決了嵌入數(shù)據(jù)量與載體數(shù)據(jù)的水印信息承載能力之間的矛盾，適用于以瓦片數(shù)據(jù)為載體的數(shù)字水印算法設計，具有較高的實用性和推廣價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明QR碼水印圖像數(shù)據(jù)壓縮與編碼方法流程圖。

圖2 是QR碼二維離散小波變換示意圖，其中，a是原始QR碼，b是

圖3是QR碼的符號結構圖。其中，1－空白區(qū)域，2－位置探測圖形，3－定位圖形，4－數(shù)據(jù)和糾錯碼字，5－校正圖形，6－格式信息。

圖4是待編碼的水印信息序列生成過程示意圖。其中，7－壓縮后的QR碼水印圖像，8－固定內(nèi)容，9－一維二值水印信息序列。

圖5是壓縮編碼機制示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。

本實施例選擇版本號為3，糾錯等級為H，尺寸為82×82像素的QR碼為實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明所提QR碼水印圖像的數(shù)據(jù)壓縮與編碼流程，給出本發(fā)明的一個實施例，進一步詳細說明本發(fā)明。

1.生成QR碼水印圖像

步驟一：選定版權信息，使用英文域名“www.njnu.edu.cn”代表QR碼水印圖像中所含版權信息。

步驟二：指定待生成QR碼水印圖像的版本號為“3”，糾錯等級為“H”，原胞大小為“2”，空白區(qū)域為“10”，掩模模式為“0”。

步驟三：根據(jù)QR碼生成機制生成對應的QR碼水印圖像，生成后的QR碼如圖2(a)所示，該QR碼水印圖像的數(shù)據(jù)量為82×82=6724 bit。

2.QR碼水印圖像的數(shù)據(jù)壓縮

步驟一：讀取圖2(a)中QR碼水印圖像。

步驟二：對該圖像進行1層二維離散小波變換，變換結果如圖2(b)所示。

步驟三：在二維離散小波變換（DWT變換）后得到的4個子帶中，提取低頻子帶LL1。

步驟四：對低頻子帶進行二值化處理，將其轉換為對應的二值圖像，該二值圖像的尺寸為41×41像素，數(shù)據(jù)量為41×41=1681 bit。

3.QR碼水印圖像的符號結構分解

步驟一：讀取上一步驟中低頻子帶二值化處理后生成的二值圖像（圖4中箭頭7所指圖像）。

步驟二：根據(jù)圖3中QR碼的符號結構對該二值圖像進行分解，從中分離出空白區(qū)域、位置探測圖形、定位圖形、校正圖形和版本及格式信息（如圖4中箭頭8所示），二值圖像的其他區(qū)域為圖像剩余區(qū)域（如圖4中箭頭4所示）。

步驟三：利用分塊讀取、逐行掃描的方式從圖像剩余區(qū)域中提取數(shù)據(jù)及糾錯編碼。

步驟四：將數(shù)據(jù)及糾錯編碼重排列為一維二值水印信息序列Wm（如圖4中箭頭9所示），Wm的長度為867 bit。

4.一維二值水印信息序列Wm的壓縮編碼

步驟一：對一維二值水印信息序列Wm進行分組，分組長度N=3，末尾不足位的分組用“0”填充。

步驟二：根據(jù)一維二值水印信息序列Wm分組的直接編碼對分組進行分類，共分3類。黑基、白基和混合基，其中黑基為直接編碼全“0”的分組，白基為直接編碼全“1”的分組，混合基為直接編碼中同時包含“0”和“1”的分組。

步驟三：為黑基分配壓縮編碼，用壓縮編碼“0”替代直接編碼“000”。

步驟四：為白基分配壓縮編碼，用壓縮編碼“10”替代直接編碼“111”。

步驟五：對于直接編碼為“001”和“100”的混合基，將其中的“1”反轉為“0”，采用黑基的壓縮編碼表達。

步驟六：對于直接編碼為“110”和“011”的混合基，將其中的“0”反轉為“1”，采用白基的壓縮編碼表達。

步驟七：對于直接編碼為“101”和“010”的混合基，沿用直接編碼。

步驟八：對所有分組按照步驟4.3至步驟4.7所述方法進行重壓縮編碼，編碼過程如圖5所示，重壓縮編碼后的一維二值水印信息序列Wm’的長度為489 bit。

步驟九：將Wm’嵌入載體數(shù)據(jù)。

4. 本發(fā)明的特點與技術優(yōu)勢

本發(fā)明的特點在于通過對QR碼水印圖像的數(shù)據(jù)壓縮與編碼，在不影響QR碼所表征的版權信息的前提下有效控制了嵌入載體數(shù)據(jù)水印信息的數(shù)據(jù)量。本發(fā)明的技術優(yōu)勢在于達到了較高的數(shù)據(jù)壓縮比，經(jīng)過處理后的QR碼能夠可靠地嵌入諸如瓦片數(shù)據(jù)等水印信息承載能力有限的小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)中，很好地解決了嵌入數(shù)據(jù)量與載體數(shù)據(jù)的水印信息承載能力之間的矛盾。

5.測試與分析

本發(fā)明專門針對小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)水印信息承載能力有限的問題，采用本發(fā)明能夠在不影響QR碼所表征的版權信息的前提下大幅度降低嵌入載體數(shù)據(jù)的水印信息的數(shù)據(jù)量，為后續(xù)水印嵌入算法的設計奠定基礎。

（1）QR碼水印圖像的數(shù)據(jù)壓縮

對圖2(a)中的QR碼水印圖像進行數(shù)據(jù)壓縮，得到一維二值水印信息序列Wm,數(shù)據(jù)壓縮比約為7.76:1（6724:867），實驗結果表明表明，經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮處理后，一維二值水印信息序列的數(shù)據(jù)量相較原始QR碼水印圖像有了大幅度的降低，數(shù)據(jù)壓縮效果良好。

（2）一維二值水印信息序列的壓縮編碼

對一維二值水印信息序列Wm,采用圖5所示編碼過程繼續(xù)進行重壓縮編碼，得到編碼后的水印信息序列Wm’，數(shù)據(jù)壓縮比進一步提升至13.75:1（6724:489），試驗結果表明，經(jīng)過壓縮編碼后，一維二值水印信息序列的數(shù)據(jù)量進一步降低，最終嵌入載體數(shù)據(jù)的一維二值水印信息序列長度僅為489 bit，相較原始QR碼水印圖像的6724bit，嵌入數(shù)據(jù)量得到了有效的控制。