（计算机科学与技术专业论文）三维模型密写和图像密写分析研究.pdf

i r e s e a r c ho ns t e g a n o g r a p h yo ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la n d s t e g a n a l y s i so fd i g i t a li m a g e b y q ik e b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 19 9 4 m s ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 19 9 9 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g l n c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n g d a f a n g n o v e m b e l2 0 1 0 iiir 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：冽年r 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密叭 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名 导师签名 日期：加1 年r 月冯日 嗍一、l 了y 号 、日一、i 3 1 ，、 三维模型密写和图像密写分析研究 摘要 随着三维应用的发展，三维模型成为继文本、图像、视频、音频之后的新型 密写载体，由于三维模型数据量小、顶点数据的不规则采样和顶点排序的无序性 等特点，使三维模型密写在嵌入容量、失真度方面面临挑战，需要进一步深入研 究。同时，密写分析技术以其在军事、情报、国家安全方面的重要性，也成为研 究人员深入探索的强大动力。密写和密写分析作为相互对抗的技术，正是在不断 的攻防中完善、改进。 本文致力于三维模型密写和图像密写分析的研究：通过对三维模型几何特性 和表示方法的深入研究，从失真度、嵌入容量的角度出发，设计三维网格和点云 模型密写算法；通过针对性的分析和研究彩色图像密写、j p e gm b 2 密写及小波 域密写，探讨行之有效的针对彩色图像密写、j p e gm b 2 密写及小波域密写的密 写分析方法。本文主要工作包括： 1 在三维网格模型密写方面，分别从失真度和嵌入容量的角度出发，提出了 基于帧化采样的自适应空域和变换域密写算法。算法的基本思想是将视频流的帧 采样方法引入三维网格模型的空间分解，将三维数据转化为二维平面帧数据，应 用二维平面嵌入方法嵌入信息。在空域嵌入中，设计了多重q i m 空域嵌入方法， 应用顶点权重分析方法自适应的确定每个顶点的嵌入容量，在获得大嵌入容量的 同时，优化了嵌入失真；在小波域嵌入中，通过构造广义灰度图，在小波域隐马 尔科夫模型的零树结构中嵌入信息，获得了大的密写嵌入容量。实验表明，提出 的两种三维网格模型密写算法具有自适应、大容量、低失真的优点。 2 在三维点云模型密写方面，从嵌入容量角度出发，提出了一种基于自相似 压缩的大容量空域密写算法。鉴于三维点云模型表面具有重复模式或相似结构的 几何特征，算法将自相似压缩方法引入三维点云模型的空间分割和聚类，构造自 相似分块单元、自相似链及压缩码本；在信息嵌入中，选取压缩码本中的样本分 块单元作为嵌入基准，设计了基于顶点匹配和空间位移的自相似空间匹配方法 ( s s p m ) ，在可嵌入顶点嵌入容量至少达到4 比特。实验表明，提出的三维点云 模型密写算法具有大容量、低失真、高安全性的特点。 3 提出了一种针对彩色图像密写的盲密写分析算法。鉴于信息嵌入对彩色图 像颜色通道相关性的影响，算法的关键在于针对彩色图像任意二个颜色通道间梯 度方向随机序列及颜色梯度和随机序列等四个序列，进行基于h i l b e r t h u a n g 变换 ( h h t ) 的序列分析。在序列分析中，通过对四个随机序列进行经验模式( e m d ) 分解，构建基于h i l b e r t 谱的特征向量。在此特征向量基础上构建的s v m 分类器 i i 博士学位论文 实现了对彩色图像密写的高准确率分析，具有特征向量维数低和误检率低的特点， 对彩色图像的密写分析性能优于现有分析方法。 4 通过分析j p e g 图像的离散余旋变换( d c t ) 系数直方图在m b 2 密写前 后的特性，提出了一种针对j p e gm b 2 密写的专用密写分析算法。算法的关键在 于应用j p e g 图像d c t 系数一阶直方图与其c a u c h y 拟合分布模型的系数一阶直 方图之间的差值序列作为相关性度量，构造特征序列，应用h h t 变换进行序列 分析，在此基础上构建的s v m 分类器能有效的对j p e gm b 2 密写生成的含密图 像进行密写检测分析。 5 提出了一种针对小波域密写的盲密写分析算法。算法的关键是对图像的小 波系数使用二维小波隐马尔科夫( h m m ) 模型建模，利用模型中小波系数间状态 相关性的隐马尔科夫树( h m t ) 结构，计算描述图像小波系数间统计特性的小波 域h m m 参数，以其作为待检测小波域密写图像的特征向量。实验表明，在此特 征向量基础上构建的s v m 分类器对小波域q i m 、m f p 和b p c s 密写有着高的分 析准确率，适用于小波域密写分析。 关键词：密写；密写分析；三维模型；帧化采样；自相似；彩色图像颜色梯度序 列；序列分析；隐马尔科夫模型 i i i 一_ a b s t r a c t w l t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f3 da p p l i c a t i o n s ，3 dm o d e lh a s b e e nan e w p o t e n t l a lk i n do fs t e g a n o g r a p h i cm e d i al i k et e x t ，i m a g e ，v i d e o ，a u d i o h o w e v e r w i t h t h ef e a t u r eo fs m a l ld a t a c a p a c i t y , i r r e g u l a rs a m p l i n ga n dd i s o r d e ro ft h ev e r t e x s t e g a n o g m p yo f3 dm o d e lf a c e s g r e a tc h a l l e n g e so fi m p r o v i n gt h e e m b e d d i n g c a p a c i t ya n do b t a l n i n gl o wd i s t o r t i o n ，w h i c hn e e d st ob ef u r t h e rs t u d i e d s t e g a n a l y s i s l st h ea r to fa t t a c k i n ga g a i n s ts t e g a n o g r a p h y a i m i n ga td e t e c t i n gt h ee x i s t e n c eo f n l d d e n1 n f o r m a t i o n ，e s t i m a t i n gt h e l e n g t ho fh i d d e ni n f o r m a t i o na n de v e ne x t r a c t i n g h l d d e n1 n f o 啪a t i o n f o ri t s i m p o r t a n c ei nt h ea r e a so fm i l i t a r y , i n t e l l i g e n c e a n d n a t i o n a ls e c u r l t y ，s t e g a n a l y s i sh a sb e e nt a k e ni n t o a c c o u n tb yi n f o r m a t i o ns e c u r i t v r e s e a r c h e r sa r o u n dt h ew o r l d ln e r e f o r e ，t h ep r e s e n t e dd i s s e r t a t i o n ，w h i c hi s s u p p o r t e di np a r tb yt h en a t i o n a l h 啪g t e c h n o l o g yr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 9 a a 012 4 2 0 )a n dn a t u r a l s c i e n c ef u n do fg u a n g d o n gp r o v i n c e ( g r a n tn o 91510 0 9 0 010 0 0 0 5 9 ) ，m a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ho n s t e g a n o g r a p h yo f3 dm o d e l a n ds t e g a n a n a l y s i so fd i g i t a l i m a g e t h ed e e ps t u d yo ng e o m e t r i cf e a t u r e sa n d r e p r e s e n t a t i o no f3 dm e s hm o d e la n d3 d p o i n tc l o u dm o d e li sm a d ea n dt h r e ek i n d s o fs t e g a n o g r a p h yf o r 3 dm o d e la r ep r o p o s e dw i t ht h ep u r p o s e so fd e s i g n i n gt h e s t e g a n o g r a p h i cm e t h o dw h o s ei n v i s i b i l i t ya n de m b e d d i n gc a p a c i t yc a nb eab a l a n c e p o i n t ，t h et a r g e t e dr e s e a r c ho ns t e g a n o g r a p h yo fc o l o ri m a g ea n ds t e g a n o g r a p h yi n t r a n s f o r md o m a j ni sm a d ei no r d e rt op r o p o s ee f f e c t i v eu n i v e r s a l b l i n ds t e g a n a l y t i c a l g o n t h ma n ds p e c i a l s t e g a n a l y t i ca l g o r i t h mf o rc o l o r i m a g es t e g a n o g r a p h va n d s t e g a n o g r a p h yi nt r a n s f o r md o m a i n t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa s f o l l o w s ： l t w ok i n d so fn o v e ls i m p l ea d a p t i v es t e g a n o g r a p h yf o r3 dm e s hm o d e lb a s e d o n 士r a m et r a n s f o r mi ns p a t i a ld o m a i na n dt r a n s f o r md o m a i n a r ep r o p o s e d o nt h e b a s l so tt h ef r a m es a m p l i n go ft h ev i d e os t r e a m i n g ，t h e p r e s e n t e da l g o r i t h m su s et h e f r a m e b a s e dt r a n s f o r ms p a c es u b d i v i s i o nt om a p t h e3d s p a t i a ld a t at o2 df r a m ed a t a 1 nt h e s p a t i a le m b e d d i n gp r o c e s s ，v e r t e xw e i g h te s t i m a t i o ni s u s e dt oe s t i m a t et h e d e g r e eo fs m 0 0 t h n e s so rr o u g h n e s sp r o p e r t i e so f3dm o d e lw i t h r e s p e c tt oh u m a n v i s u a ls y s t e ma n da d a p t i v e e m b e d d i n ge s t i m a t i o nt or e m o v er e s t r i c t i o n so ff i x e d e m b e d d i n gs i z ei ne a c hv e r t e xa n da d a p t i v e l yd e t e r m i n et h ev e r t e x c a p a c i t y ，t h e n i v jlfjljl|fjlfjlfjl|jifjiiiijifjf 博士学位论文 m u l t i q i mi sd e s i g n e dt oe m b e d d i n gm e s s a g e i nt h et r a n s f o r m i n ge m b e d d i n gp r o c e s s ， t h ej u s tn o t i c e a b l ed i s t o r t i o n ( j n d ) a n a l y s i si nw a v e l e td o m a i nb a s e do nt h eh u m a n v i s u a ls y s t e m ( h v s ) i se x p a n d e dt oa d a p t i v e l yd e t e r m i n ee m b e d d i n gs t r e n g t h ，t h e n g e n e r a l i z e dg r a yi m a g ei s c o n s t r u c t e da n dt h eh i d d e nm a r k o vm o d e l ( h m m ) i n w a v e l e td o m a i ni sa p p l i e dt oe m b e dd a t ai nt h ez e r o t r e e s t r u c t u r eo fh m m t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e dt e c h n i q u e a r es i m p l e ， a d a p t i v e ，s e c u r e ，h a v eh i g hc a p a c i t ya n dl o wd i s t o r t i o n 2 f o r3 dp o i n tc l o u dm o d e ls t e g a n o g r a p h y , o nt h eb a s i so fd e e ps t u d yo nt h e s e l f - s i m i l a r i t yc o m p r e s s i o no ft h e3 dp o i n t c l o u dm o d e l ，an o v e lh i g h - c a p a c i t y s t e g a n o g r a p h yo f3 dp o i n tc l o u dm o d e lb a s e d o ns e l f - s i m i l a r i t yc o m p r e s s i o ni s p r o p o s e d b a s e do nt h eg e o m e t r i cf e a t u r eo f s i m i l a rp a t t e r no rs t r u c t u r eo nt h es u r f a c e o f3 dp o i n tc l o u dm o d e l ，t h ea l g o r i t h mp a r t i t i o n st h e3 dp o i n tc l o u dm o d e lt op a t c h e s ， c l u s t e r sp a t c h e si n t os i m i l a r i t yp a t c hc h a i n su s i n gs e l f - s i m i l a r i t ym e a s u r e s ，a n d g e n e r a t e st h ec o d e b o o k t h er e p r e s e n t a t i v ep a t c h e sa n ds i m i l a rp a t c h e sa r e t h e nt a k e n f r e i mt h ec o d e b o o kf o re v e r ys i m i l a rp a t c hc h a i na st h er e f e r e n c ep a t c h e sa n dt h e m e s s a g ep a t c h e s f i n a l l y , e v e r ym e s s a g ep o i n ti nt h es i m i l a rm e s s a g ep a t c h e sw h i c h h a st h ep o i n t t o p o i n tc o r r e s p o n d e n c ew i t hac e r t a i nr e f e r e n c ep o i n ti nt h er e f e r e n c e p a t c hc a n e m b e da tl e a s tf o u rb i t su s i n gt h ep r o p o s e ds e l f - s i m i l a r i t yp o s i t i o nm a t c h i n g p r o c e d u r e ( s s p m ) b ys h i f t i n g t h em e s s a g ep o i n tf r o mi t s c u r r e n tp o i n tt ot h e c o r r e s p o n d i n ge m b e d d i n gp o s i t i o n ，w h i c hi sc o m p u t e do v e rv i r t u a ls p h e r ew i t ht h e r e f e r e n c ep o i n ta st h ec e n t r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m i ss e c u r e ，h a sh i g hc a p a c i t ya n dl o wd i s t o r t i o nw h i c hc a ne m b e da tl e a s tf o u rb i t st o e m b e d d i n gv e a e x 3 au n i v e r s a ls t e g a n a l y s i sf o r c o l o ri m a g es t e g a n o g r a p h yi sp u tf o r w a r d t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s ，t h ee m b e d d i n gm e s s a g ea f f e c t st h e c o r r e l a t i o na m o n gd i f f e r e n tc o l o rc h a n n e l so ft h ec o l o ri m a g ei sg i v i n g t h e r e f o r e ，t h e k e yo ft h ea l g o r i t h mi s t h eh i l b e r t h u a n g t r a n s f o r mb a s e da n a l y s i so fc o l o rg r a d i e n t o r i e n t a t i o ns e q u e n c e sb e t w e e na n yt w oc o l o rc h a n n e l sa n dc o l o rg r a d i e n t s u m s e q u e n c e so ft h ec o l o ri m a g e t h eh i l b e r ts p e c t r u mb a s e dc h a r a c t e r i s t i c v e c t o r sa r e c o n s t r u c t e dv i ae m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) o ft w oc a t e g o r i e so fc o l o r g r a d i e n ts e q u e n c e sa n dt h es v mc l a s s i f i e r i su s e dt oc l a s s i f y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u i t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dr e a l i z e st h er e l i a b l es t e g a n a l y s i s o fc o l o ri m a g e sw i t hh i g h e rc o r r e c tr a t e ，s h o r t e rv e c t o r sa n dl o w e rf a l s ep o s i t i v er a t e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o l o ri m a g es t e g a n a l y s i sa l g o r i t h m s 4 o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h ev i b r a t i o n so ft h ed c tc o e f f i e n c eh i s t o g r a mo f v j p e gi m a g e s ，as t e g a n a l y t i cm e t h o di sp r o p o s e dt oa t t a c kj p e gm b 2 s t e g a n o g r a p h v t h ep r o p o s e dm e t h o du s e sd c tc o e f f i c i e n t h i s t o g r a md i f f e r e n t i a ls e q u e n c e sa sa m e a s u r eo ft h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nj p e gi m a g e sa n di t s c a u c h yf i t t i n gd i s t r i b u t e d m o d e l ，a p p l i e sh i l b e r t - h u a n g t r a n s f o r mb a s e ds e q u e n c ea n a l y s i sa n dc o n s t r u c t ss v m c l a s s i f i e rt od i s c r i m i n a t et h es t e g of r o mt h ec o v e r t h ee x p e r i m e n t a l r e s u i t sh a v e d e m o n s t r a t e de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d s t e g a n a l y t i cm e t h o di na t t a c k i n gj p e g m b 2 s t e g a n o g r a p h y 5 au n i v e r s a l s t e g a n a l y s i s i s p r o p o s e dt oa t t a c ks t e g a n o g r a p h yi nw a v e l e t d o m a i n t h ek e yo ft h ea l g o r i t h mi st om o d e lt h ew a v e l e tc o e m c i e n to ft h ei m a g e w i t ht w od i m e n s i o n a lh i d d e nm a r k o vm o d e l ( h m m ) m o d e l ，c a l c u l a t et h e h m m p a r a m e t e rs e t sb a s e do nh i d d e nm a r k o vt r e e ( h m t ) s t r u c t u r ew h i c hd e s c r i p t e st h e s t a t ec o r r e l a t i o na m o n gt h ew a v e l e tc o e f f i c i e n t t h eh m m p a r a m e t e rs e t sb a s e d c n a m c t e r i s t i cv e c t o r sa r eu s e dt oc o n s t r u c ts v m c l a s s i f i e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h a v ed e m o n s t r a t e d e f f e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e ds t e g a n a l y t i cm e t h o di na t t a c k s e g a n o g 豫p h yi nw a v e l e td o m a i ns u c ha sq i m ，m f pa n db p c ss t e g a n o g r a p h yi n w a v e le td o m a i n k e yw o r d s ：s t e g a n o g r a p h y ；s t e g a n a n a l y s i s ；t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l ；f r a m eb a s e d t r a n s f o r m ；s e l f - s i m i l a r i t y ；c o l o rg r a d i e n ts e q u e n c eo fc o l o r f u li m a g e ； s e q u e n c ea n a l y s i s ；h i d d e nm a r k o vm o d e l v i 博士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 插图索引i x 附表索引x i 第1 章绪论1 1 1 研究意义和应用领域l 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 三维模型密写研究现状4 1 2 2 图像密写分析研究现状5 1 3 本文的主要创新工作7 1 4 论文的结构安排8 第2 章三维模型密写和图像密写分析的相关理论和算法研究l o 2 1 三维模型密写理论和算法分析1 0 2 1 1 三维模型密写框架模型1 0 2 1 2 经典三维模型密写算法1 3 2 1 3 三维模型密写的特点及其评价指标1 7 2 2 图像密写分析理论和算法分析1 9 2 2 1 图像密写分析类型2 0 2 2 2 经典图像密写分析算法2 0 2 2 3 密写分析的准确性评估指标2 3 2 3 小结2 5 第3 章基于帧化采样的自适应三维网格模型密写2 6 3 1 引言2 6 3 2 基于帧化采样的自适应三维网格模型密写算法2 7 3 2 1 帧化采样一2 7 3 2 2 空域算法2 8 3 2 3 小波域算法3 3 3 3 实验结果及分析3 7 3 3 1 空域算法3 7 3 3 2 小波域算法3 9 v i i 三维模型密写和图像密写分析研究 3 4 小结4 1 第4 章基于自相似空间匹配的三维点云模型密写4 2 4 1 引言4 2 4 2 三维点云模型的自相似压缩编码4 3 4 3 基于自相似空间匹配的三维点云模型密写一4 7 4 4 实验结果及分析5 1 4 5 小结5 4 第5 章基于颜色梯度特性的彩色图像密写分析一5 5 5 1 引言5 5 5 2 基于m u m f o r d s h a h 彩色图像模型的颜色梯度特性分析5 6 5 2 1m u m f o r d s h a h 彩色图像模型5 6 5 2 2 颜色梯度相关性分析5 7 5 3 基于颜色梯度特性及其h h t 变换的彩色图像密写分析5 8 5 3 1 颜色梯度和序列及2 阶颜色梯度方向序列分析5 8 5 3 2 针对颜色梯度特性序列的h h t 变换及经验模式分解( e m d ) 一6 2 5 3 3 基于e m d 及支持向量机( s v m ) 的密写分析算法6 4 5 4 实验结果及分析6 5 5 4 1 测试样本6 5 5 4 2 实验结果分析6 6 5 5 小结6 9 第6 章变换域图像密写分析一7 0 6 1j p e gm b 2 专用密写分析7 0 6 1 1j p e gm b 2 密写概述7 0 6 1 2 基于直方图差值序列和h h t 变换的j p e gm b 2 专用密写分析一7 l 6 1 3 实验结果及分析7 5 6 2 基于隐马尔科夫模型( h m m ) 的小波域密写分析7 8 6 2 1 图像小波变换系数的隐马尔科夫模型7 8 6 2 2 基于小波域h m m 模型的密写分析8 0 6 2 3 实验结果及分析一8l 6 3 小结8 5 结论8 6 参考文献8 9 致谢9 8 附录a 攻读博士学位期间发表的学术论文9 9 附录b 攻读博士学位期间主持及参与的科研项目1 0 0 v i i i 博士学位论文 插图索引 图2 1 密写信息嵌入框图1 2 图2 2 密写信息提取框图1 3 图2 3 平面b s p 树的构造过程及结果1 3 图2 4 小体元空间细分和3 比特信息嵌入1 4 图2 5 滑动嵌入1 6 图2 6 拉伸嵌入1 6 图2 7 旋转嵌入1 6 图2 8 信息嵌入1 6 图2 9j ，为中心的空间点聚类一1 7 图2 1 0 混淆矩阵2 4 图2 1 1r o c 曲线及a u c 面积2 5 图3 1 三维网格模型的包围圆柱体、p c a 主轴、等间隔分割子空间2 8 图3 2 空域密写嵌入过程2 8 图3 3 空域密写提取过程2 9 图3 4p c a , , 方向投影点位移3 l 图3 5p c a ，方向投影点位移3 2 图3 6q i m 嵌入3 2 图3 7 小波域密写嵌入过程3 3 图3 8h m m 模型( 3 级分解图) 3 4 图3 9 总容量与预定义顶点最大嵌入量s 的关系3 7 图3 1 0 失真度与预定义顶点最大嵌入量s 的关系一3 8 图3 1 1p l a n t ( 左) 和b u n n y ( 右) 原始模型3 8 图3 1 2p l a n t ( 左) 和b u n n y ( 右) 含密模型3 9 图3 1 3 原始模型4 0 图3 1 4 含密模型一4 0 图4 1 三维点云模型自相似压缩编码过程：分块、构造自相似链、构造压缩码本 z l ：； 图4 2 八叉树记录结构4 4 图4 3 顶点只，向支撑平面日的投影4 5 图4 4 直方图和累积直方图4 6 图4 5 信息嵌入4 7 i x 三维模型密写和图像密写分析研究 图4 6 信息提取4 7 图4 7 参照块p 中顶点p 与待嵌入信息分块q 中顶