（计算机系统结构专业论文）三维几何模型数字水印技术及算法研究.pdf

7 2 窘o7 浙江大学硕士学位论文 摘酉 y 2 3 9 1 7 ， 3 州鬟 i 多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取、处理和传播提供了极大的便利， 也极大的提高了信息表达的效率和准确性。但是一个明显的副作用是：多媒体 数据的非法传播和拷贝非常容易，而且质量不受损害。在当今这个信息时代， 对于多媒体作品的创作者、发行人和版权持有人来说，知识产权保护已成为一 项最为紧迫的任务。起源于信息隐藏技术的数字水印技术，为实现有效的知识 产权保护提供了一条崭新的思路，近年来已成为多媒体信息安全研究领域的一 个热点问题。 当前的数字水印技术大都是针对静止图象，视频流和音频流这些媒体数据 类型的，而对三维几何模型数据的水印技术的研究工作相对较少。但是，随着 越来越多的基于c a d 的三维数据在互联网上的传播，对于那些在虚拟网络中提 交或出售三维数据产品的公司或版权所有人来说也将同样面临一些与版权相关 的问题。他们迫切需要一种能够防止未经授权而非法使用他们的数据材料的方 法。数字水胄j 技术，这种新型的信息版权保护手段在这个领域具有广泛的应用 前景。厂 本文第一章介绍了信息隐藏和数字水印技术的基础概念，简单介绍了图象 数字水印的一些基本概念，重点阐述了三维几何模型数字水印的定义、产生背 景、主要分类和基本要求，并给出了一个三维几何模型数字水印系统的基本工 作流程。尉现有的一些典型的三维几何模型数字水印算法做了分析，分别指出 了各算法酌优势和不足之处。对三维几何模型数字水印的攻击方法做了分类和 讨论。给出了对三维几何模型数字水印技术将来研究方向的讨论。最后给出全 文的大纲。i ， 第二章阐述了三维几何模型数字信号处理的思想，介绍了三维几何模型数 字信号处理的背景和一些相关工作。随过为任意网格构造一个全局平面参数化， 数字图像水印的所有算法都可以应用到三维模型，这种方法基本解决了三维几 何模型数字水印的难点和问题。本文后续章节介绍的各种水印算法都是基于这 种平面参数化方法。l 第三章介绍了d c t 数字水印技术的背景和相关工作，采用本文第二章提出的 平面参数化方法，分别给出t n e c 实验室的c o x 等) v c o x 9 7 1 、p i v a p i v a 9 8 等 ) 圆f o t o p o u l o s 等a f o t o p o u l o s 0 0 提出的图象d c t 水印算法在三维几何模型上的 应用模型。实验表明这些算法具有较好的透明性和强壮性。 第四章介绍了d w t 数字水印技术的背景和相关工作，采用本文第二章提 出的平面参数化方法，分别给出了w a n g w a n 9 9 8 和x i a x i a 9 8 提出的图象d w t 水印算法在三维几何模型上的应用模型。 第五章总结全文，并给出了将来的一些研究方向。 周昕：三维几何模型数字水印技术及算法研究 关键词：知识产权，信息隐藏，数字水印，攻击分析，三维几何模型，人类视 1 一 、 一 觉系统，密码学，网格水印，多分辨率分析，数字几何女妒，离散余弦变换，离 散小波变换 v 2 塑垩查兰堡主堂堡堡苎 a b s t r a c t d i g i t i z e dm u l t i m e d i ad a t af a c i l i t a t et h ep r o c e s s i n g ，d i s t r i b u t i o na n ds t o r a g eo f m u l t i m e d i a i n f o r m a t i o n ，e n h a n c e t h e e f f i c i e n c y a n d a c c u r a c y o fi n f o r m a t i o n p r e s e n t a t i o n b u t t h eu n d e s i r a b l es i d ee f f e c t sa r eo b v i o u s ：t h eu n a u t h o r i z e d r e d i s t r i b u t i o no ft h ec o p y r i g h t e dm u l t i m e d i ad a t aw i t h o u tl o s so ff i d e l i t y i n t e h e c t u a l p r o p e r t yp r o t e c t i o ni s o n eo ft h em o s tp r e s s i n gc o n c e r n sf o rc o n t e n tc r e a t o r sa n d o w n e r sw h od i s t r i b u t ea n dd e l i v e rt h e i rc o n t e n ti nt h ei n f o r m a t i o ne r a d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ，w h i c ho r i g i n a t e sf r o ms t e g a n o g r a p h y , p r o v i d e san o v e lw a y f o rt h e p r o t e c t i o no f i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，a n db e c o m e sah o ts p o ti nt h er e s e a r c hf i e l d o fm u l t i m e d i ad a t as e c u r i t yi nr e c e n ty e a r s c u r r e n tw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yf o c u s e so nm e d i at y p e sl i k es t i l li m a g e s ，a n d v i d e oa n da u d i os t r e a m s i nc o n t r a s t ，t h ep r o b l e mo fw a t e r m a r k i n g3 dm o d e l sh a s r e c a ：i v e dl e s sa t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r s b u t ，m o r ea n dm o r ec a d b a s e d3 dd a t ai s e n t e r i n gt h ew o r l dw i d ew e b a c c o r d i n g ly ，c o m p a n i e so rc o p y r i g h to w n e r sw h o p r e s e n to rs e l lt h e i rp r o d u c t si nv i r t u a ls p a c ew i l lf a c ec o p y r i g h t - r e l a t e dp r o b l e m s t h e s t r a i g h t f o r w a r dd e m a n d i st op r e v e n tt h e i r3 d - b a s e dm a t e r i a lf r o mu n a u t h o r i z e d u s e a san e w w a y f o rt h e p r o t e c t i o no fi n f o r m a t i o nc o p y r i g h t ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g w i l lp o s s e s se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n p e r s p e c t i v e i nt h i sa r e a i nc h a p t e r1 ，w ef i r s td e s c r i b et h eb a s i cc o n c e p t so fs t e g a n o g r a p h ya n dd i 百t a l w a t e r m a r k i n g ，a n di n t r o d u c es o m eb a s i cc o n c e p t so fd i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g t h e nw e e x p o u n d t h ed e f i n i t i o n ，b a c k g r o u n d ，c l a s s i f i c a t i o na n dr e q u i r e m e n t sa b o u t d i 画t a lw a t e r m a r k i n go f3 dm o d e l s w ep r o p o s eag e n e r a lf r a m e w o r ko fd i 曾t a l w a t e r m a r k i n gs y s t e mo f3 dm o d e l s t h e n ，w ea n a l y z et h e s t a t eo fa r to fd i g i t a l w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m so f3 dm o d e l s f o l l o w i n gt h i s ，w eg i v ead i s c u s s i o na b o u t t h er o b u s t n e s so fw a t e r m a r k s ，i e ，a t t a c ka n a l y s i s w es t i l ld i s c u s ss o m ep o s s i b l e r e s e a r c hd i r e c t i o n s w ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c es o m ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t sa n d s o f t w a r et o o l k i t si n v o l v e di no u r t h e s i s f i n a l l y , w eo u t l i n et h e t h e s i s i n c h a p t e r2 ，w ep r e s e n tt h e i d e ao fm e s hw a t e r m a r k i n gb a s e do nd i g i t a l g e o m e t r yp r o c e s s i n g ( d g p ) w ef i r s ti n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do fd g p a n ds o m e r e l a t e dw o r k b y c o n s t r u c t i n gp l a n a rp a r a m e t e r i z a t i o nf o ra r b i t r a r ym e s h e s ，a l lk i n d s o fi m a g ef r e q u e n c y d o m a i nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sc a nb ea p p l i e dt o3 dm o d e l s t h e a l g o r i t h m s d e s c r i b e di nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r s a r ea l lb a s e do nt h i s p a r a m e t e r i z a t i o na l g o r i t h m i nc h a p t e r3 ，w ef i r s ti n t r o d u c et h e b a c k g r o u n da n d r e l a t e dw o r ko fd c t - b a s e d d i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s t h e nw ea p p l y t h e i m a g e d c t - b a s e d w a t e r m a r k i n g 3 周昕：三维几何模型数字水印技术及算法研究 a l g o r i t h m s ，w h i c hh a db e e np r e s e n t e db yc o x ，p i v aa n df o t o p o u l o s ，t o3 d m o d e l s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da t t a c ka n a l y s i ss h o wt h a tt h e s ea l g o r i t h m sa r et r a n s p a r e n t ， r o b u s t ，a c c u r a t ea n dc o s t e f f i c i e n t i n c h a p t e r4 ，w ef i r s t i n t r o d u c et h e b a c k g r o u n d a n dr e l a t e dw o r ka b o u t d w t - b a s e d d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y t h e nw ea p p l yt h ei m a g ed w t - b a s e d w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ，w h i c h h a db e e n p r e s e n t e db yw a n g a n dx i a ，t o3 dm o d e l s e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n da t t a c ka n a l y s i sa r e g i v e n i n c h a p t e r5 ，w ec o n c l u d et h et h e s i s ，t o g e t h e rw i t hs o m ep o s s i b l er e s e a r c h d i r e c t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ( i p r ) ，d i g i t a ls t e g a n o g r a p h y , d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，a t t a c ka n a l y s i s ，g e o m e t r y b a s e d3 dm o d e l s ， h u m a nv i s u a l s y s t e m ( h v s ) ，c r y p t o g r a p h y , m e s hw a t e r m a r k i n g ， m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i s ，d i g i t a lg e o m e t r yp r o c e s s i n g ， d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m f d c t ) ，d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m ( o w a 3 4 周听：三维几何模型数字水印技术及算法研究 1 1 引言 第一章三维几何模型数字水印技术概论 近年来，数字媒体技术与i n t e r n e t 技术发展迅速，使得数字化的数据安全 问题，也就是版权保护问题，成了一项重要而紧迫的研究课题。数字水印技术， 作为信息隐藏技术的一种重要应用，为实现有效的信息版权保护手段提供了一 条崭新的思路，成为数字信息安全研究领域的一个热点问题，逐渐得到重视。 当前的数字水印技术大都是针对静止图象，视频流和音频流这些媒体数据 类型的，而对三维几何模型数据的水印技术的研究工作相对较少。但是，随着 越来越多的基于c a d 的三维数据在互联网上的传播，对于那些在虚拟网络中提 交或出售三维数据产品的公司或版权所有人来说也将同样面临一些与版权相关 的问题。他们迫切需要一种能够防止未经授权而非法使用他们的数据材料的方 法。数字水印技术，这种新型的信息版权保护手段在这个领域具有广泛的应用 前景。 本论文主要研究了三维几何模型参数化建模方法和数字水印技术在三维几 何模型数据版权保护领域中的相关算法，包括第二章三维几何模型参数化建模、 第三章d c t 水印算法和第四章d w t 水印算法。本章是对三维几何模型数字水印 技术及相关问题的总体介绍。 本章第二节对数字水印技术的基础概念一信息隐藏做了介绍，在第三节对 图象数字水印技术做了简单介绍，在第四节分别阐述了三维几何模型数字水印 的定义、产生背景、研究意义、主要分类和基本要求，讨论了三维几何模型数 字水印的难点和问题，并给出了一个三维几何模型数字水印系统的基本工作流 程。在第五节对现有的一些典型的三维几何模型数字水印算法做了分析，分别 指出了各算法的优势和不足之处。第六节对三维几何模型数字水印的攻击方法 做了分类和讨论。第七节给出对三维几何模型数字水印技术可能研究方向的讨 论。最后给出了全文的大纲。 1 2 信息隐藏 信息隐藏( d a t ah i d i n g 或s t e g a n o g r a p h y ) 不同于传统的密码学技术，他 主要研究如何将一机密信息秘密隐藏于另一普通信息中，然后通过网络传输， 使非法拦截者无法判断和截获机密信息。而密码技术将机密信息加密成密文进 行传递，非法拦截者可获得密文对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送， 从而影响机密信息的安全性。 信息隐藏的例子层出不穷，从中国古代的藏头诗到中世纪欧洲的栅格系统， 8 浙江大学硕士学位论文 从古希腊的蜡板藏书到德国间谍的密写术等这些都是典型的例子。多媒体技术 的广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了更加崭新的领域。图1 1 是信息隐 藏的通用模型 a n d e r s o n 9 6 。 待隐藏的信息为秘密信息( s e c r e tm e s s a g e ) ，可以是版权信息或秘密数据， 也可以是一个序列号。公开信息称为封面信息( c o v e rm e s s a g e ) ，如视频、音 频片段。信息隐藏过程一般由密钥( k e y ) 来控制，通过隐藏算法( e m b e d d i n g a l g o r i t h m ) 将秘密信息隐藏于公开信息中。隐蔽载体( 隐藏了秘密信息的公开 信息) 通过信道( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 传递，检测器( d e t e c t o r ) 利用密 钥从隐蔽载体中恢复检测秘密信息。 信息隐藏技术主要由两部分组成：( i ) 信息隐藏算法。它利用密钥实现秘 密信息的隐藏。( 2 ) 隐蔽信息提取检测算法( 检测器) 。它利用密钥从隐蔽载 体中检测恢复秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中得到 或删除、甚至发现秘密信息。 1 3 图象数字水印 当前的数字水印技术大都是针对静止图象，视频流和音频流这些媒体数据 类型的，其中尤以图象水印研究工作开展得最为全面彻底，不过其中的很多图 象技术对于音频及视频等其他形式的多媒体数据同样适用。为了叙述和行文的 方便，在本论文中图象数字水印一般泛指静止图象，视频流和音频流这些多媒 体数据。 本文主要讨论三维几何模型数字水印技术，但是本文后续章节涉及到图象 水印技术的相关内容，所以本节先对图象水印技术的研究做个简单介绍。 图象数字水印就是以图象等一般多媒体数据为载体加入水印信息。我们按 最主要的特征将目前的图象数字水印算法分为：空域时域算法，频域算法，压 缩域算法，基于统计学的算法，利用人类感官生理模型的算法等 s c h y n d e l 9 4 ， z h a 0 9 5 ，b e n d e r 9 6 ，b o n e y 9 6 ，c o x 9 6 1 ，h a r t u n 9 9 7 1 ，p o d i l c h u k 9 7 ，c o x 9 7 1 ， c o x 9 7 3 ，f r i d r i c h 9 8 ，k a n k a n h a l l i 9 8 ，m e m o n 9 8 ，w a n g b 9 8 ，y i 0 1 ，v i n o d ， 9 周听：三维几何模型数字水印技术及算法研究 h a r t u n 9 9 9 。在这里我们给出近几年图象数字水印算法的发展演变过程及其间 的一些典型算法。 1 空域算法： s c h y n d e l 9 4 是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文 章，其中阐明了关于水印的一些重要概念。此算法首先把一个密钥输入一 个m _ 序列( m a x i m u m l e n g t hr a n d o ms e q u e n c e ) 发生器来产生水印信号， 然后排列成2 维水印信号，按象素点逐一插入到原始图象象素值的最低位。 由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因，它 可以轻易地被移去，因此不够强壮。此文中还阐述了强壮水印检测的通用 方法一一相关性检测。如果指定的待检测水印与从被检测图象恢复出的水 印有足够的相关性，通常以超过某一阈值来衡量，我们就判定图象中存在 此水印。 2 文本水印算法： b e n d e r 9 6 中描述了几种文本数据的水印方法。它们主要 是通过轻微改变字符间距，行间距或是增加、删除字符特征如底纹线等方 法来嵌入水印。正如作者指出的那样，这些方法无法抵御攻击。攻击者通 过把字符间距、行间距进行随机化处理而破坏水印。一般来说，文本数据 很难通过基于叠加噪声的水印方法来嵌入信息，因为o c r ( o p t i c a l c h a r a c t e rt e c h n o l o g y ) 技术可以消除它们。另外的途径是在符号级或语义 级加入水印。例如，可以用b i g 替换文本中的l a r g e ，不过这种方法仍然不 能有效地抵御攻击。 3 基于统计学的算法： b e n d e r 9 6 中描述的p a t c h w o r k 算法基于改变图象数 据的统计特性。作者指出，随机选取的两个象素点的差值是以0 为中心的 高斯分布，可以通过增加象素对中一个点的亮度值，同时减少另一个点的 亮度值来改变分布的中心。考虑到象素对所引入的水印频谱是高频噪声， 为了抵抗诸如有损压缩及f i r 滤波，文中把象素对扩展为小块的象素区域 ( p a t c h ) ，增加一个p a t c h 中的所有象素点的亮度值同时减少对应p a t c h 中 所有象素点的亮度值。p a t c h w o r k 解码器检测效果较好。这种方法抵御裁剪 攻击和灰阶校正也非常有效。其基本算法的缺陷是嵌入码率低，对仿射变 换敏感，对多拷贝联合攻击抵抗力比较脆弱。文中同时提出了一些方法来 改进基本算法。 4 频域算法：前述的在空间域中加入水印的算法只能嵌入很小的数据量，并 且大部分算法引入的都是类似高频噪声的水印，很容易经低通滤波，重新 量化或有损压缩等操作去除水印。与它们不同，图象的频域空间中可以嵌 入大量的比特而不引起可察的降质，当选择改变中频或低频分量( 除去直 流分量) 来加入水印时，强壮性还可大大提高。频域水印技术可以利用通 用的离散余弦变换，小波变换和傅立叶变换等变换方法。 z h a 0 9 5 提出适 l o 浙江大学硕士学位论文 5 用于j p e g 有损压缩的一种算法。水印信号嵌入8 8 的图象块经d c t 变换 后得到的d c t 系数中。图象块是经伪随机选择的。为了嵌入一个比特的信 息，选定的d c t 系数经微小转换以满足特定的关系。解码时同样地伪随机 选取相同的系数，并根据系数之间的关系抽取比特信息。 压缩域算法： h a r t u n 9 9 7 1 提出了一种针对m p e g 一2 压缩视频数据流的数字 水印方案。m p e g 一2 数据流语法中允许用户数据加到数据流中，但是这种方 案并不适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉，同 时会加大位率，使之不适用固定带宽的应用。所以关键是把水印信号加到 表示视频帧的数据流中去。对于输入的m p e g 一2 数据流而言，可分为数据头 信息、运动向量和d c t 编码信号块三部分， h a r t u n 9 9 7 1 中方案只改变最 后一部分数据。对d c t 编码数据块中每一输入的h u f f m a n 码进行解码和逆 量化，把得到的d c t 系数与相应水印信号块的变换系数相加，对新的d c t 系数重新进行量化和h u f f m a n 编码。然后比较新的h u f f m a n 码字的位数n 1 与原来的无水印系数的码字n o ，只在n 1 不大于n 0 的时候才传输水印码字， 否则传输原码字。这就保证了不增加视频数据流的位率。作者还采用了漂 移补偿的方案来抵消水印信号的引入所引起的误差积累和扩散。基于j p e g ， m p e g 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编码过 程，而且在数字电视广播及点播电视中有很大的实用价值。相应地，水印 检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。 n e c 算法：n e c 实验室的c o x 等人提出的基于扩展频谱的水印算法 c o x 9 7 1 在数字水印算法中占有重要地位。这一算法提出了强壮水印算法的几个重 要原则： 1 ) 水印信号应该嵌入源数据中对人的感觉最重要的部分。在频谱空间中， 这种重要部分就是低频分量。这样，攻击者在破坏水印的过程中，不可 避免地会引起图象质量的严重下降。基于同样的道理，一般的图象处理 技术也并不去改变这部分数据。水印的强壮性大大提高。 2 ) 水印信号应该由具有高斯分布的独立同分布随机实数序列构成。这使得 水印经受多拷贝联合攻击的能力大大增强。 由1 ) 出的问题是，如何在对人感觉最重要的部分加入水印并同时满足不可 察觉的特性要求。c o x 等人通过扩频通讯技术寻求这两个矛盾的要求之间的 平衡。扩展频谱通信与一般常见的窄带通信方式相反，是在扩展频谱后宽 带通讯，再相关处理恢复成窄带后解调数据，具有伪随机编码调制和信号 相关处理两大特点，有诸如抗干扰、抗噪音、有保密性、高精度测量等等 许多优点。c o x 等人把图象的频谱空间视为通信信道，水印则视为在此信道 中传输的信号。扩频体现在把水印信号扩展到很多频率段上，以使每一频 周听：三维几何模型数字水印技术及算法研究 率段上的能量都小到不可检测的程度。由于在水印验证的过程中，验证人 知道水印的位置与内容，他可以把这些微弱信号集中起来得到一个有较高 信噪比的单一输出。但要想破坏水印，攻击人必须在所有频段上加入幅度 较大的噪声，这无疑提高了水印的安全性。 n e c 系统的实现方法是：对整幅图象做o c t 变换( 不是通常的分块o c t ) ， 选取除d c 分量外的1 0 0 0 个最大的o c t 系数插入由n ( 0 ，1 ) 所产生的一个实 数序列水印信号。文中给出了一系列典型图象处理和恶意攻击的水印攻击 实验结果，证明此算法强壮性很好。 7 生理模型算法：近年来，利用人的生理模型的特性，包括h v s ( h u m a nv i s u a s y s t e m ) 和h a s ( h u m a na u d i t o r ys y s t e m ) ，来提高多媒体数据压缩系统质量 和效率的研究得到了许多关注。这些方面的研究结果同样可以供数字水印 系统利用。 p o d i l c h u k 9 7 利用9 0 年代以来提出的一些视觉模型，实现了 两个频域数字水印系统，一个基于分块o c t 框架，一个基于小波分解框架。 它们的基本思想是利用从视觉模型导出的j n d ( j u s tn o t i c e a b l e d i f f e r e n c e ) 描述来确定在图象的各个部分所能容忍的数字水印信号的最 大强度，从而避免破坏视觉质量。也就是说利用视觉模型来确定与图象相 关的调制掩模来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强壮性。根据 对比实验，经受大部分攻击的能力强于n e c 算法。 i 4 三维几何模型数字水印 1 4 1 数字水印的基本概念 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不 明显的记号或标记比特。被嵌入的记号对观察者来说通常是不可见或不可感知 的，但是通过一些计算操作可以被检测或者被提取。这些被嵌入的记号被称为 水印。水印与源数据( 如图象、音频、视频、模型数据) 紧密结合并隐藏其中， 成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用 价值的操作而存活下来。三维模型数字水印是在数字化的几何模型数据内容中 嵌入不明显的记号或标记比特。它是水印技术的一个应用分支。本文中提到的 三维几何模型如果没有特别的说明均指三角形网格模型。 根据信息隐藏的目的和技术要求，三维模型数字水印应该具有以下基本特 性 b e n e d e n s 9 9 ： 1 容量：水印系统应该容许植入有意义的数据。植入识别购买者或受权者 身份的序列号至少需要3 2 位容量。证明所有者关系需要足以储存一个 散列值的容量，例如m d 5 需要1 2 8 位，s h a 需要1 6 0 位。在公有水印系 浙江大学硕士学位论文 统中植入水印的容量从一个全局模型注册号3 2 位到一个能从中获得版 权和授权相关信息的u r l ( 可能需要2 5 6 位或更多) 不等； 2 透明性( 隐藏性) ：经过一系列隐藏处理，目标模型数据必须没有明显 的降质现象，而隐藏的数据无法人为地看见或听见； 3 鲁棒性( 强壮性) ：指抗拒各种处理和攻击操作而不导致隐藏信息丢失 的能力。所谓的操作包括：旋转，平移和均匀放缩；多边形简化( 经常 是为了获得足够快的绘制速度) ；顶点随机排序；网格重建( 重新三角 形网格化) ，产生边长和面大小形状相同的块：网格光滑操作；部分裁 剪操作在背面剔除操作中移去部分模型；局部变形。由于其他的一 些更复杂的几何操作( 如裁剪，沿任意轴的非均匀放缩，投影，全局变 形等) 可能降低模型的视觉质量和可用性。因此一个三维模型水印系统 明显不需要对上述操作提供强壮性要求； 4 隐藏位置的安全性：指将欲隐藏的信息藏于目标模型数据的内容之中， 而非文件头等处，防止因格式变换而遭到破坏。 除了以上基本特性外，三维模型数字水印还可以具有以下一些额外属性， 这样水印算法的功能会更加完善 b e n e d e n s 9 9 。 1 后台处理和适当的运行速度：水印的植入和提取过程应该尽可能不需要 用户的交互。用机器人( a g e n t s ) 在w e b 站点和数据库中搜寻水印是监 控合法或非法拷贝使用和加强版权保护的一个重要应用。这方面的最终 目的是实时监控。但是这对水印算法的执行速度和存储需求将有很高的 要求。 2 尽可能少的先验数据知识：一个理想的水印系统提取过程仅仅需要知道 模型数据和一个密钥。这个密钥是模型的创建者，模型类，模型和被授 权使用者专用的，所有必需的参数例如随机数发生器的种子数都是由这 个密钥产生的。 在公有水印系统中，创建者的所有模型都共享唯一一个密钥，或者系统 可能对所有的创建者都采用同一个密钥。 遗憾的是，水印的提取过程往往需要更多的先验数据知识： 1 ) 模型本身的知识，特别是为了避免同步问题需要知道在模型中植入 水印的位置信息。 2 ) 重定向，重新调节和与水印模型的比较过程中需要知道原始模型数 据或至少部分数据( 比如说特征向量) 。 由于水印提取过程削弱了算法的监控和后台处理能力，使得水印的分散检 索过程变得复杂了，特别是当访问数据库中的大量模型数据时情况更糟。 3 尽可能少的预处理开销：理想的水印系统应该允许直接访问加入了水印的 周昕：三维几何模型数字水印技术及算法研究 模型数据而不需要其他的预处理数据信息。预处理过程包括模型表达方式 的转换，模型识别，校正表面法向校正，重定位和放缩等。 1 4 2 数字水印的产生背景和研究意义 近年来，多媒体技术与i n t e r n e t 技术发展迅速，极大地改变了出版、商务、 通讯等行业的运作方式，也极大地改变了人的日常生活方式。多媒体制作领域 逐渐繁荣，各种形式的多媒体作品包括音频、视频、动画、图象，三维模型等 等纷纷以网络形式发布。国际互连网络逐渐普及的副作用也十分明显：作品侵 权更加容易、篡改更加方便。任何人都可以借助一台普通的个人计算机和一根 电话线，通过网络轻易取得他人的原创作品，尤其是数字化的图象、音乐、电 影等等，甚至不经作者的同意而任意复制、修改，从而侵害了创作者的著作权。 因此多媒体数据的安全问题，也就是版权保护问题，成了一项重要而紧迫的研 究课题。 采用传统密码学理论开发出来的加解密系统，包括经典的密钥系统如d e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 和安全性更好的公钥系统如r s a 系统，对于待 加密文件的处理是将其加密成密文，使得在网络传递过程中的非法拦截者无法 从中获取机密信息，达到保密的目的。但是传统的加密系统并不能很好地解决 版权保护问题。因为虽然经过加密后，只有被授权持有解密密钥的人，才可以 存取数据，但是这样就无法向更多的人展示自己的作品；而且数据一旦被解开， 就完全置于解密人的控制之下，原创作者没有办法追踪作品的复制和转发。网 络多媒体的时代需要一种更加有效的技术手段来保护多媒体信息的著作权。 数字水印技术，作为信息隐藏技术的一种重要应用，为实现有效的信息版 权保护手段提供了一条崭新的思路，成为多媒体信息安全研究领域的一个热点 问题，得到了广泛的重视。从加密的角度来讲，由于非法拦截者从网络上拦截 下来的是伪装后的普通文件，看起来和其它非机密的一般资料没有差别，因而 十分容易逃过非法拦截者的破解。 1 4 3 数字水印的主要应用领域 大体来说，数字水印可以分为以下六个应用领域： 1 所有权确认：多媒体作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始 数据。然后公开发布他的水印版本。当另外的人宣布他是此作品或从此作 品经一定的变换得到的另一作品的所有人时，真正的所有人可以出示他的 原始作品，并从冒充人持有的作品中认证他所加入的水印作为证据。这要 求水印能够经受各种常用的处理操作。对于三维几何模型而言，要能经受 各种常用的几何变换操作，包括：旋转，平移和均匀放缩；多边形简化( 经 1 4 浙江大学硕士学位论文 常是为了获得足够快的绘制速度) ；顶点随机排序；网格重建( 重新三角形 网格化) ，产生边长和面大小形状相同的块；网格光滑操作；部分裁剪操作 在背面剔除操作中移去部分模型：局部变形。 2 加指纹：为避免未经授权的拷贝和发行，出品人可以将不同用户的i d 或序 列号作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝。一旦发现未经授权的 拷贝，可以从此拷贝中恢复指纹来确定它的来源。这要求水印可以经受诸 如伪造、去除、无效化水印的各种企图，除了l 中所述的操作外，主要包 括多拷贝联合攻击去除水印或伪造水印陷害第三方。 3 鉴定与完整性确认( 篡改提示) ：当多媒体作品被用于法庭、医学、新闻及 商业时，常需要确定它们的内容没有被修改、伪造或特殊处理过。这时可 以通过提取水印，确认水印的完整性来证实多媒体数据的完整。与其余水 印不同的是，这类水印必须是脆弱的，我们最好还能够通过识别提取出的 水印确定出多媒体数据被篡改的位置。 4 标记与注释：被嵌入的比特组成内容的注释。比方说，三维模型的纹理信 息可以转换成水印信号作为此模型的注释。这种隐式注释不需要额外的带 宽，且不易丢失。 5 使用控制：在一个需要特殊硬件进行多媒体数据拷贝和观看的封闭系统中， 可以插入一个指示允许拷贝数的数字水印。每进行一次拷贝，硬件对水印 修改一次，当允许拷贝数降为o 时，硬件将不再产生新的拷贝。一个典型 的例子是d v d ( d i g i t a lv i d e od i s c ) 系统。 6 内容保护：在某些应用中，多媒体作品的提供者希望向潜在的购买者提供 一个作品的预览。为了使预览作品失去商业价值，常将一个可见的难以去 除的水印叠加在作品之上。这似乎与信息隐藏没有直接关系，但是深入的 研究揭示，为了防止可见水印的伪造，常需将一个不可见的水印一同加入。 1 4 4 三维几何模型水印算法的难点和问题 本文主要讨论信息隐藏和数字水印技术在三维几何模型版权保护领域中的 相关算法，与图象水印算法相比，三维几何模型的工作还刚刚起步，由于三维 模型数据自身的特点，使得传统的图象水印算法不能简单照般地应用于三维几 何模型，具体说来三维模型水印存在以下一些难点： 1 由于三维几何模型数据具有不规则性，所以在水印嵌入过程中，缺乏进行频 率分解的某种自然的参数化方法。我们知道三维模型数据由点、线、面等要 素构成，这些要素可以组合成各种不同的数据表达方式，另外三维模型数据 的各要素集合没有一个固定的排序标准，而对静止图象来说却可以按照象素 点的平面位置排序，对音频流和视频流数据可以按照时间轴来排序，对于这 周昕：三维几何模型数字水印技术及算法研究 种不规则的数据类型，不能简单地应用已有的各种变换域水印算法，我们需 要寻找适当的能够反映三维模型数据特征的参数用于各种变换域水印算法。 2 水印检测过程中，几何模型简化操作和其它的攻击方法可能会改变几何模型 的连接关系，或称拓扑连接。在水印检测前我们需要参照原始几何模型的连 接关系对拓扑连接发生改变的水印模型进行重采样处理，以便从水印模型中 提取水印信息。这是在预处理过程中完成的。 1 4 5 三维几何模型水印系统模型 我们给出一个三维几何模型水印系统通用模型，图1 2 是水印嵌入过程， 将水印信号加入到原始模型数据中，生成水印模型；图1 3 是水印提取过程， 用于从水印模型中提取水印信号；图1 4 是水印检测过程，当水印模型经过各 种网格操作攻击后，水印信息可能变得面目全非，这时可用水印检测算法来判 断是否存在水印。图1 3 、图1 4 中的虚框部分表示在提取或判断水印信号时 原始模型数据不是必要的。 1 5 三维几何模型数字水印算法分析 与图象水印算法一样，三维几何模型水印算法也可以大致分为两类，一类是 空间域水印算法，一类是变换域水印算法。早先的三维模型水印算法研究也是从 空间域水印算法开始的，现在逐步向变换域水印方向发展。下面，我们给出近几 年三维几何模型数字水印算法的发展演变过程及其间的一些典型算法。其中 o h b u c h i 9 7 3 、b e n e d e n s 9 9 2 、b e n e d e n s 9 9 3 、b e n e d e n s 9 9 3 、w a g n e r 0 0 、t o u b 0 1 属于空间域算法，而 k a n a i 9 8 、p r a u n 9 9 、o h b u c h i 0 1 则属于变换域算法。 1 t s q 算法和t v r 算法： o h b u c h i 9 7 3 中首先提出了三维模型水印的概念。 他们分析了三维模型数据的特点，提出了通过修改三维模型的几何属性( 顶 点坐标) 或拓扑属性( 顶点连通性) 植入水印的思想，并具体提出了两种 修改模型几何属性的水印算法t s q 和t v r ，这两种算法的原始数据都是三角 形网格模型，t s q 算法是三角形相似四元组算法的简称，它采用三角形两边 长比值和三角形底边与高的比值或者三角形两内角值等无单位值作为植入 基元，通过修改上述三角形的无单位值，从而修改相关顶点坐标位置植入 水印。t s q 水印算法可以抵抗平移、旋转、一致放缩等几何操作攻击，如果 采用重复植入水印的方法则可抵抗裁剪和局部变形的攻击，但是这种算法 不能抵抗网格重建和顶点随机序列化的攻击。t v r 算法即四面体体积比算 法，它采用四面体的体积比作为水印植入基元，修改四面体体积比值从而 修改网格顶点坐标位置植入水印。该算法在水印容量，执行速度和监控能 力这些方面具有近似最佳优化的特点。主要的缺点包括不能抵抗网格重采 浙江大学硕士学位论文 样，多边形简化，和顶点的随机序列化等攻击操作。t s q 和t v r 算法水印提 取过程都不需要原始模型的信息，适合用于公有水印系统。 图1 2 水印嵌入过程 图1 3 水印提取过程 图1 4 水印检测过程 2 t s p s 算法：三角形条带剥离符号序列算法， o h b u c h i 9 7 3 中提出的一种修改 网格拓扑属性植入水印的算法，原始网格模型是有方向的三角形网格模型， 水印数据是一个二值序列，算法从选定的一条边开始，按照水印位串值构造 三角形条带，从而植入水印信息，然后将植入水印信息的三角形条带从网格 1 7 周昕：三维几何模型数字水印技术及算法研究 中剥离，构成一个带缝隙的水印网格模型，由于形成的缝隙