一种运用交换密码水印的GF-2影像安全保护方法

摘要

本发明公开一种运用交换密码水印的GF‑2影像安全保护方法，包括：首先对原始影像进行整数小波变换，数据的低频部分作为交换密码水印的操作域；然后将数据划分为大小相同且互不重叠的两部分，运用同态加密方法，实现数据加密和水印嵌入的无序结合。该方法通过对GF‑2影像实施交换密码水印，所得到的含水印的加密数据与加密和水印嵌入的先后顺序无关；同时，无论在明文数据或密文数据，该方法均能成功检测水印信息，且具有较好的鲁棒性，为GF‑2影像的安全使用和版权保护提供了一种实用高效的保护方案。

说明书

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种运用交换密码水印的GF-2影像安全保护方法。

背景技术

高分辨率遥感影像数据作为地球科学研究的基础，是国家基础测绘保障服务的数据源之一。高分二号(GF-2)影像作为我国目前重要的光学对地观测数据，具有分辨率高、精度高、成本高、应用领域广等特点，已在灾害评估、测绘调查、高精度导航、侦察、监测等地球科学领域中广泛应用，因而其安全问题至关重要。《中华人民共和国测绘法》第四十七条明确指出对于非法获取、持有、提供、使用或泄露国家地理信息数据可依法追究刑事责任。然而，随着数字化、网络化和信息化的发展，GF-2影像在获取、存储、传输和使用过程中面临着无法忽视的安全问题：(1)在存储和传输过程中，容易出现数据泄露的情况，造成敏感信息被非法截取和篡改；(2)在使用过程中，数据易被非法复制和传播，严重侵害数据版权所有者的利益。因此，迫切需要使用有效安全技术手段为GF-2影像提供多重的安全保护。

在信息安全领域，密码技术和数字水印技术是遥感影像的安全保护的两大关键技术。密码技术是事先防范遥感影像分发时被非法截取和篡改的一门技术，能够提供数据在存储和传输过程中的安全保护。数字水印技术是事后追责的代表性技术，能够提供遥感影像在使用过程中的版权鉴定和来源追溯。为了有效保护数据在存储、传输和使用过程中的安全，因而需要密码技术与数字水印技术的共同保护。然而，密码技术与数字水印技术的直接结合存在操作次序要求高、安全性低、密钥易泄露等方面的不足。因此，需要深入研究密码技术和数字水印有机融合、互不干扰的安全技术，同时实现GF-2影像的保密传输和分发后的使用追踪。

交换密码水印(Commutative Encryption and Watermarking,CEW)作为密码学与数字水印融为一体的新兴安全技术，为GF-2影像的保密分发和使用追踪提供了可靠的方法和途径。目前，国内外公开发表的CEW方案主要分为：基于操作域独立的CEW方案和基于操作机理独立的CEW方案。基于操作域独立的CEW方案，其原理是运用数学变换、分解、压缩等方式，将数据划分成两个相互独立、互不影响的区域，其中一部分作为水印域进行水印嵌入和提取，另一部分作为密文域进行加密和解密。在此方案下，由于加密和水印操作均可沿用已有成熟的方法，因此该方案具有较好的可交换性、融合性以及实用性。但这种方案的缺点是水印操作区域不受加密保护，会降低数据在存储和传输过程中的安全性。相比基于操作域独立的CEW技术，基于操作机理独立的CEW技术更具优势。原因在于：基于操作机理独立的CEW技术通过分析密码技术及数字水印技术实现原理，选择操作机理上不相干扰(正交)或者干扰甚微的密码技术和数字水印技术进行结合，来巧妙地实现密码技术与数字水印技术之间的相互交换，从而避免了基于操作域独立的CEW安全性不高的缺点。

因此，本发明采用基于操作机理独立的CEW机制，在变换域的基础上提出一种结合同态加密的GF-2影像CEW方法，实现GF-2影像在存储、传输和使用过程中的多重安全保护。

发明内容

基于GF-2影像在存储、传输和使用过程中的安全性考虑，数据保密和版权保护需求需同时存在。然而，数据的安全保密和版权保护在结合过程中往往会相互影响。为解决这一问题，本发明提出了一种用于GF-2影像的交换密码水印方法。该方法对GF-2影像进行交换密码水印得到的密文水印数据，与其加密和水印嵌入的先后顺序无关，同时无论密文水印数据是否解密，该方法均能成功检测到水印信息，且具有较好的鲁棒性，为GF-2的安全使用和版权保护提供了一种更高效的保护方案。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、一种运用交换密码水印的GF-2影像安全保护方法，包括水印信息生成、加密和水印嵌入、解密和水印提取三部分：

水印信息生成步骤如下：

S1：读取原始二值水印图像，应用Arnold变换来置乱水印图像；

S2：根据待嵌入水印区域大小对置乱后的影像进行扩频处理，得到新的水印信息；

加密和水印嵌入步骤如下：

S3：读取原始GF-2影像，并执行整数小波变换，将其低频子带作为加密和水印嵌入操作区域；

S4：将低频子带划分为大小为m×n的子块；

S5：根据不同的安全要求和交换密码水印原理，对每一子块进行加密和水印嵌入操作，得到各子块的密文水印载体；

S6：重复步骤S5，直至所有子块完成水印嵌入和加密；

S7：将所有子块合并，并进行逆整数小波变换，得到原始GF-2影像的密文水印载体影像；

解密和水印提取步骤如下：

S8：将步骤S7得到的密文水印载体影像，执行整数小波变换，并将整数小波变换后的低频子带进行大小为m×n的子块划分；

S9：根据不同的安全要求和交换密码水印原理，对每一子块进行解密和水印提取。

S10：结束。

本发明方法先进、科学，既能够保证数据在密文状态下安全传输，又能够保证水印信息的有效提取，安全性高、鲁棒性好，能够为GF-2影像的安全使用和版权保护提供一种更高效的保护方案。通过实验表明，在加密过程中，该方法具有较高的密钥敏感性，且密文相邻像素间相关性极小，表明本发明方法的密文安全性极高；同时，在数字水印操作过程，该方法对噪声攻击、裁剪、中值滤波、JPEG压缩等具有较强的鲁棒性。该方法不仅为GF-2影像在存储、传输和使用过程中提供了多重安全保护，而且对其数据特征及其后期应用影响不大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的运用交换密码水印的GF-2影像安全保护方法的流程图；

图2为本发明提供的实验所用的数据及Arnold置乱后水印；

图3为本发明提供的测试实验可视化结果；

图4为本发明提供的密钥敏感度分析结果；

图5为本发明提供的水印攻击测试结果。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的目的及所达到的效果，以下结合具体实施方式详细说明。

1.水印信息生成

Step1读取原始二值水印图像，应用Arnold变换来置乱水印图像，得到置乱后的水印图像；

Step2然后对置乱后的水印图像按照待嵌入水印信息的载体大小进行扩频处理，得到新的水印信息w

2.加密和水印嵌入

Step3数据预处理。读取原始GF-2影像，并执行整数小波变换，将其低频子带作为加密和水印嵌入操作区域，然后将低频子带划分为大小为m×n的子块；

Step4根据不同的安全要求，进行加密和水印嵌入操作。若需先加密后嵌入水印，执行步骤S5；反之，执行，步骤S6；

Step5每个子块首先进行Paillier加密操作得到密文子块，然后按照加性嵌入机制完成水印嵌入，得到各子块的密文水印载体，密文域嵌入方法如下：

其中，x

Step6每个子块按照加性嵌入机制完成水印嵌入得到含水印的子块，然后对含水印影像进行Paillier加密操作，得到各子块的密文水印载体，其中，明文域水印嵌入方法如下：

其中，x

Step7重复步骤Step4-6，直至所有子块完成水印嵌入和加密，将含水印并加密后的所有子块合并，并进行逆整数小波变换，得到原始GF-2影像的密文水印载体影像；

3.解密和水印提取

Step8将步骤Step7得到的密文水印载体影像，执行整数小波变换；

Step9根据不同的安全要求，进行解密和水印提取。若需直接在密文域中提取水印，执行步骤S10；反之，执行步骤S11；

Step10将整数小波变换后的低频子带进行大小为m×n的子块划分，从各子块中提取水印，密文域水印提取方法如下：

其中，E[x

Step11按照Paillier加密机制利用私钥对整数小波变换后的低频子带进行解密；然后，将解密后的低频子带进行大小为m×n的子块划分，从各子块中提取水印，明文域水印提取方法如下：

其中，x

综上所述，本发明是一种运用交换密码水印的GF-2影像安全保护方法，该方法不仅具有较强的密文安全性，而且水印具有较好的不可感知性，并对噪声攻击、中值滤波、裁剪攻击等具有较好的鲁棒性，能够保证GF-2数据在存储、传输和使用过程中的安全性。此外，该方法适用于GF-2影像，但不限于GF-2影像，对光学遥感影像一样适用，具有较好的实用价值。