（计算机应用技术专业论文）三维网格模型数字水印研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 对多媒体信息的知识产权保护，已经成为学术界与产业界共同关注的问题。 数字水印技术作为保护多媒体信息版权的一种新方法正受到人们的极大重视。 作为一种新兴的媒体数据，三维网格模型应用日益广泛。该类模型的数字水印 己成为当前数字水印领域研究的新热点。 目前，数字水印技术主要针对静止图像、视频和音频这些多媒体数据类型 的，对三维模型数据的水印研究国内还较少有人涉足。随着三维数据在信息领 域的迅猛发展，对于那些提交或出售三维数据产品的公司或版权所有人来说面 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。同时，在军事侦察、医学诊断等重要领域，三维数字水 印的作用也将变得越来越重要。三维数字水印的理论研究与技术发展已逐渐成 为当前信息处理的热门课题。 本文第一章介绍了信息隐藏和数字水印技术的基础概念，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 维几何模型数字系统的基本工作流程。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。对三维几何模型数 字水印的攻击方法做了分类和讨论。 第二章介绍了三维网格的表示方法和三维网格的研究领域，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。通过为三维模型构造一个球面参 数化模型，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。 第三章分析了三维几何模型数字水印算法的特点，分别介绍了三维几何模 型空域和变换域的数字水印算法。并对各种算法进行了一定的研究和比较。 第四章为了解决网格模型水印算法中水印鲁棒性与透明性之间的矛盾，提出 了一种适用于任意拓扑连通结构的网格模型零水印算法。水印由网格的几何数据 经过空域特征提取及变换域能量集中后生成。实验结果表明：本文算法构造的水 印不仅能抵抗顶点重排序、平移、旋转、各向一致缩放等攻击，而且对加噪、网 上海大学硕士学位论文 格简化攻击也表现出较好的鲁棒性。生成水印后不修改原始三维网格模型数据内 容，确保了水印算法的透明性，并具有一定的鲁棒性，实现了对三维网格模型版 权的保护。 第五章针对三维几何模型网格对齐的问题进行了探讨，其中重点介绍了重定 位算法，并给出了网格对齐问题的数学定义。 第六章对全文进行了总结，并对未来三维网格模型数字水印的研究方向进行 了探讨。 关键词：知识产权，信息隐藏，数字水印，三维几何模型，数字几何处理，零水 印，网格对齐，重定位 上海大学硕士学位论文 a b s t i 认c t d i g i t a lw a t e r m a r k ，w h i c hp r o v i d e sas c h e m ef o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a l m e d i a , h a sb e c o m eah o ts p o ti nt h er e s e a r c hf i e l do fm u l t i m e d i ad a t as e c u r i t yi n r e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 dd i g i t a l i z a t i o na n dt h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i t y o fv r m l l a n g u a g e ，3 dm e s hi s t ob e c o m eaf u l l - f l e d g e dm u l t i m e d i at y p eo f g r a p h i c sm o d d s ，a n dt h er e s e a r c ho f3 dm e s hd i g i t a lw a t e r m a r ki sg o tm o r ea n d m o r ea t t e n t i o na san e wr e s e a r c hf i e l d 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 ，3 dw a t e r m a r k i n gm o d e l sh a v er e c e i v e dal i t t l e a 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 se n t e r i n gt h e w o r l dw i d ew e b a c c o r d i n g l y , c o m p a n i e so rc o p y r i g h to w n e r sw h op r e s e n to rs e l l 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 es t r a i g h t f o r w a r dd e m a n di 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 du s e a sa n e ww a yf o rt h ep 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 gw i l l p o s s e s se x t e n s i v ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v ei 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 g i 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 ee x p o u n dt 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 舀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 g i 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 es 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 ，a t t a c ka n a l y s i s i nc h a p t e r2 ，w ep r e s e n tt h ee x p r e s s e dm e t h o da n dr e s e a r c hd o m a i no fm e s h w a t e r m a r k i n g 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 er e l a t e dw o r k b y c o n s t r u c t i n gs p h e r i c a lp a n 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 so fi m a g e f 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 sd e s c r i b e di nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r sa r ea l lb a s e do nt h i sp a r a m e t e r i z a t i o n a l g o r i t h m i nc h a p t e r3 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f3 d m e s hw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sa n a l y z e d ， s o m ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sb a s e do 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 na r e p r o p o s e d i nc h a p t e r4 ，i no r d e rt oc o m p r o m i s et h er o b u s t n e s sa n dt r a n s p a r e n c yo f w a t e r m a r k e d3 dm e s h e s ，az e r ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw h i c hc o u l db eu s e di n m e s h e sw i t ha n yt o p o l o g i c a lc o n n e c t i v i t yi sp r o p o s e d w a t e r m a r k i n gs i g n a lw a s c o n s t r u c t e db yg e o m e t r i cd a t ao fm e s h ，a f t e rg e o m e t r i cf e a t u r ee x t r a c t i n gi ns p a t i a l d o m a i na n de n e r g y sc o n v e r g e n c ei nt r a n s f o r m e dd o m a i n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h ew a t e r m a r kc o n s t r u c t e db yp r o p o s e da l g o r i t h mc 锄：lr e s i s tv e r t e xr e o r d e r i n g ， t r a n s l a t i n g ，r o t a t i n g ，u n i f o r m e ds c a l i n g ，a n ds h o wg o o dr o b u s t n e s sa g a i n s ta d d i n g n o i s ea n dm e s hs i m p l i f y i n g t h ed a t ao f3 dm e s h e sw a s b tc h a n g e di nt h ep r o c e s so f c r e a t i n gz e r o - w a t e r m a r k i n g i nc h a p t e r5 ，t h e3 d m e s ha l i g ni sd i s c u s s e d p a r t i c u l a r l yt h er e o r i e n t a t i o n a l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，a n dt h em a t h e m a t i cd e f i n i t i o no f 3 d - m e s h a l i g ni sg i v e n i nc h a p t e r6 ，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 yw o r d ：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 l w a t e r m a r k i n g ，g e o m e t r y - b a s e d3 dm e s h e s ，d i g i t a lg e o m e t r yp r o c e s s i n g ， z e r o w a t e r m a r k i n g ，m e s ha l i g n ，r e o r i e n t a t i o n 1 1 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：篁垫e l 期：竺：兰：三： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名薹丧导师签名：，二乏筮堑! 日期产! ! ! 墨：三：兰兰 上海大学硕士学位论文 第一章数字水印技术概论 1 1 引言 随着多媒体信息处理技术和计算机通信技术的飞速发展，传播数字多媒体信 息变得越来越方便，这极大地促进了电子印刷出版、网络视频和音频、数字图书 馆、电子商务等应用的发展。然而，这也使得盗版者能以极低廉的成本来复制及 传播未经授权的数字媒体产品。如何有效地保护这些多媒体信息的知识产权 ( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) ，己经成为学术界与产业界共同关注的问题。 数字水印( d w ：d i g i t a lw a t e r m a r k ) 技术作为保护多媒体数据的版权的一种新 方法正受到人们的极大关注。它通过将数据制作者等版权信息嵌入目标数据( 目 标数据可以是文本、图像，视频、音频、三维几何模型等) ，作为水印信息隐藏 起来。嵌入的水印对于数据的使用者是不可见的，并且不影响数据的正常使用。 当需要时，可以用与嵌入方法相对应的水印提取方法将嵌入于数据中的水印信息 检测出来，以供验证版权、认证等使用。 本文讨论的对象是三维网格模型( 3 dm e s h ) 。近年来，随着三维数字化扫描 技术的迅速发展以及v r m l 在虚拟现实中的应用日益加强，三维网格模型也正 逐步成为网络上的三维图形数据的交换标准。作为一种新兴的媒体数据，三维网 格模型的数字水印研究和实现己成为目前数字水印领域研究的新热点。 作者在分析了数字水印、三维网格数字水印的基本原理以及基于增量式的网 格水印技术的基础上，深入的研究了基于外观属性的网格水印算法，同时对网格 水印中的重要问题一网格对齐进行了深入的探讨。 在论文的第一章，我们将介绍信息隐藏技术、数字水印的产生背景、原理、 应用以及主要分类等。近年来，在多媒体数字水印领域中，图像数字水印已经取 得了很大的进展。由于三维网格水印方法的可以从图像水印的思想中得以借鉴， 因此在本章，我们将对图像水印方法作简单的总结。值得注意的是，数字水印的 思想可以运用到软件的版权保护中，该技术被称之为软件水印。作为目前比较新 颖的研究方向，本文也将对其研究方法和现状作简要的介绍。最后，对三维网格 上海大学硕士学位论文 数字水印的基本原理、技术特点展开讨论，并对已有的网格水印方法做出总结， 并着重分析了基于变换域的三维网格水印算法。 1 2 信息隐藏 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 不同于传统的密码学技术。密码技术主要是研 究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传 递。而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中， 然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非 法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而 影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从 公开信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的 安全。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广阔的领域。 我们将待隐藏的信息称为秘密信息( s e c r e tm e s s a g e ) ，它可以是版权信息或秘 密数据，也可以是一个序列号；而公开信息则称为载体信息( c o v e r m e s s a g e 如视频、 音频片段。这种信息隐藏过程一般由密钥( k e y ) 来控制，即通过嵌入算法 ( e m b e d d i n ga l g o r i t h m ) 将秘密信息隐藏于公开信息中，而隐蔽载体( 隐藏有秘密信 息的公开信息) 则通过信道( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 传递，然后检测器( d e t e c t o r ) 利用密钥从隐蔽载体中恢复检测出秘密信息。 信息隐藏技术主要由下述两部分组成：( 1 ) 信息嵌入算法，它利用密钥来实现 秘密信息的隐藏。( 2 ) 隐蔽信息检n 提取算法( 检测器) ，它利用密钥从隐蔽载体 中检n 恢复出秘密信息。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。 图1 - 1 信息隐藏技术分类图 图1 1 给出了信息隐藏技术的分类图。作为信息隐藏技术中两个重要的分支， 2 t 海大学颧学位论文 隐写术和数字水印既有一定的相关性又有本质上的差别。稳写术主要关注被隐 藏信息的检测a 与之不同，水印技术则关注隐藏信息被盗版者攘除的可能性：所 以，它需要增加健壮性的要求，以对抗各种可能的攻击。两者的另一个根本的不 同点，即水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数字对象或它的所有者有关，而 信息隐写系统可以隐藏任何相关的信息。 1 3 图像数字永印 图像数字水印以图像数据为载体进行水印信息嵌入( 如图1 - 2 所示) 。近年来 在多媒体数字水印领域中，图像数字水印己经取得了很大的进展。在商用数字软 件产品方面，美国的d i g i m a r c 公司早在1 9 9 5 年就率先推出了世界上第一个商用 数字水印软件，并已经集成到商用图像处理软件p h o t o s h o p 中。由于三维网格水 印方法可以从图像水印的思想中得以借鉴，因此我们将对图像水印中具有代表意 义的方法作简单的介绍。 ( 3 j 辱始田曩 ( b ) 嵌入木e p 后的田蠢( c ) 木印 圈l t 图像教字承印 1 3 1 空域算法 该类算法的特点是直接对原始图像的象素值作修改。l s b 算法是此类算法中 最具代表性的一种。此算法首先把一个密钥输入一个f n 序列f m a “m u m i e n g t h r a n d o ms e q u c n c e ) 发生器来产生水印信号，然后排列成二维水印信号。按象素点 上海大学硕士学位论文 逐一插入到原始图像象素值的最低位( ( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 。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， 因此算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。 b e n d e r 1 2 的p a t c h w o r k 算法是将水印信息嵌入象素的统计特征。该算法首 先随机选择n 对象素点( a i ，b i ) ，然后将每个a i 点的亮度值加1 ，每个b i 点的亮 度值减l ，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，p a t c h w o r k 方 法对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息 量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后每一个图像块进行嵌 入操作。 1 3 2 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，很容易经过低通滤波，重新量化或有损压缩等 操作去除水印。与它们不同，图像的频域空间中可以嵌入大量的比特而不引起可 察的降质，而且水印的鲁棒性还可大大的提高。 常用的图像频率分解方法有：基于离散余弦变换( d c t ) ，离散傅立叶变换( d f t ) 或小波变换( w t ) 等分解。 频域水印算法中的水印嵌入一般流程是：选择图像频域空间的中频或低频( 除 去直流分量) 分量，并将一位水印信息嵌入到一个频率分量上。 下面介绍一种基于扩展频谱算法： n e c 基于扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) 的水印算法由n e c 实验室的c o x 2 2 】 等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位。尽管该算法也是基于频率空 间的一种水印方法，但是其嵌入水印的过程却与上面的所提的其他方法不同。该 算法首先提出了鲁棒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 起图像质量的严重下降。基于同样的道理，一般的图像处理技术也并不去改变这 部分数据。水印的鲁棒性大大提高。 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 4 上海大学硕士学位论文 印经受联合攻击的能力大大增强。 由原则1 引出的问题是，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 2 3 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，接着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、有保密性及高精度测量等等许多优点。c o x 等 人把图像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。 扩频水印算法的扩频思想体现在它将水印信号扩展到很多频率段上，以使每 一频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：对整幅图像做d c t 变换( 不是通常的分块d c t ) 选取 除d c 分量外的1 0 0 0 个最大的d 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像处理和恶意攻击的水印攻击，实验结果，证 明该算法具有较强的鲁棒性、安全性及透明性等特性。 1 3 3 生理模型算法 人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 和人类听觉系统 h a s 。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，数字水印系统同样也可以利用。 利用视觉模型的基本思想均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 ) 描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度， 从而能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩 模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。 5 上海大学硕士学位论文 1 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( 如图像、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： 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 份序列号最少需要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 低质量现象，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后隐藏信息仍然保存良好的 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：部分裁剪操作一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。 6 上海大学硕士学位论文 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 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 m 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的一个密钥，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 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，重定位和模型放缩等。 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 m 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、图像，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，尤其是数字化的图像、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t g j 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。 7 上海大学硕士学位论文 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 ac 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；部分裁剪操作一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功或序 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。 上海大学硕士学位论文 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0 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，与图像水印算法相比，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，使得传统的图像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 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，而对静止图像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，对于这种不规则的数据类 型，不能简单地应用己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。 9 上海大学硕士学位论文 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 3 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 - 4 是水印提取过程，用于 从水印模型中提取水印信号：图1 5 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 4 、图1 5 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。 图1 - 3 水印嵌入过程 图l _ 4 水印提取过程 1 0 上海大学硕士学位论文 图1 5 水印检测过程 1 5 三维几何模型数字水印系统攻击分析 我们需要针对水印信号的强壮性及攻击分析做一个探讨。尽管面向版权保护 的强壮水印技术是一个重要的热点研究领域，我们必须认识到它有相当的难度。 截至目前为止，还没有一个算法能够真正经得住一个精明的攻击者的进攻。在 i n t e m e t 上我们己经可以得到一些能够有效地击垮一些商用水印系统的软件。我 们进行攻击分析的目的就在于找出现有系统的弱点及其易受攻击的原因，然后加 以改进。这就像传统密码学所经历的加密解密的否定之否定的螺旋提高过程 一样。我们必须能够清醒地意识到进攻者存在的大量进攻机会，以避免盲目地满 足而使数字水印技术永远停留在实验室里，不能得到广泛的应用或不能取得商业 价值。下面给出3 种典型攻击方式，它们选取的进攻角度和方式各不相同，是很 有趣的值得研究的领域。 1 鲁棒性攻击( r o b u s t n e s sa t t a c k s ) ：在不损害模型使用价值的前提下减弱、移去 或破坏水印。也就是前文所一再提及的各种信号处理操作。还有一种可能性是面 向算法分析的，这种方法针对具体的水印插入和检测算法的弱点来实现攻击。比 如多拷贝联合攻击，攻击者可以找到嵌入不同水印的同一原始模型的多个版本， 产生一个新的模型。大部分情况下只要简单地平均一下，就可以有效地逼近原始 模型，消除水印。这种攻击方法的基础就是认识到大部分现有算法没有抵御多拷 贝联合攻击的能力，即使有，当拷贝数增大到一定程度后，也会丧失。 2 解释攻击( i n t e r p r e t a t i o na t t a c k s ) ：这种攻击在面对检测到的水印证据时，试图 捏造出种种解释来证明其无效。一种通用的方法是分析水印算法并逆其道而行。 攻击者先设计出一个自己的水印信号，然后从水印模型中减去这个水印( 不是指 上海大学硕士学位论文 代数减，而是插入过程的逆) ，这样就制造出一个虚假的原始模型。然后他出示 虚假的原始模型和捏造出的水印，声称他是模型的拥有者。实验表明，真正拥有 者原始模型中含有攻击者捏造的水印的证据( 即水印检测结果) 与攻击者虚假模 型中含有真正拥有者水印的证据旗鼓相当。这带来了无法解释的困境。当然，攻 击者必须能够得到水印算法的细节并捏造出一个合理的水印。一个最有效的办法 是设计出不可逆的水印插入算法，例如引入不可逆的哈希过程。但现行算法均不 是完全不可逆的。我们认为应该引入一种对水印的管理机制，比如建立可信任的 第三方作为水印验证机构。 3 法学攻击( 1 e g a la t t a c k s ) ：这种攻击方法与前三种方法极为不同。我们知道， 一旦上了法庭，事情就远不受技术上或科学上的证据或结论的限制了。比如：现 有的或将有的关于版权及数字信息所有权的法律，不同法庭对于法律条款的不同 解释，原告与被告的信誉，攻击者质疑水印方案的能力，原告与被告的财力，他 们各自能请到的专家证人和律师等等，等等。打个比方，在世纪之案辛普森案中， 尽管法医证明了现场血迹分子中的d n a 与辛普森的d n a 相同，法庭照样宣布 辛普森无罪。因此我们说理解和研究法学攻击的难度要远远大于对技术攻击方法 的理解和研究。 在下一章里，我们将会介绍三维网格数据的各种表示方法以及在三维网格技 术中我们当前研究的领域。 1 2 上海大学硕士学位论文 第二章三维数据表示方法与研究领域 2 1 三维网格数据 2 1 1 三维数据的获取 计算机图形学，从它的诞生到现在，己经在许多领域扮演着越来越重要的角 色。包括科学探索、工程设计、机械制造、模拟仿真、医药卫生、城市规划、环 境保护、文物修复、教育培训、艺术创造、以及游戏娱乐等许多方面。这些应用 都涉及对复杂场景的造型，涉及对表示复杂景物外形、颜色、纹理等海量三维几 何数据的保存和实时处理。 近年来，随着各种高级造型工具的不断涌现和三维外形扫描数据技术的日益 成熟，在很多应用中，人们对几何数据的精度和细节都提出了更高的要求，导致 上述三维几何数据的规模和复杂程度急剧增长。庞大的几何数据量对现有的三维 图形引擎的处理能力和速度提出了巨大的挑战。此外，随着网络图形学的发展， 越来越多地需要通过网络，特别是国际互联网，来存取那些储存在异地的三维几 何数据。这使得本来己经十分有限的网络带宽变得更加紧张。要解决这些由于三 维几何数据规模和复杂度的急剧增长所带来的问题，仅仅依靠提高三维图形引擎 的处理速度和能力，以及增加网络带宽等硬件方面的措施是不够的。因此，研究 新的占用空间小、绘制速度快，适合于计算机网络传输的三维几何数据表示方法 具有十分重要的意义。 目前，三维数据的获取可通过以下几种途径：三维激光扫描仪，光栅扫描仪， 也可以通过互联网从一些专业研究机构获取数据；还可以通过一些专业软件( 例 如：m a y a , 3 dm a x ) 对现实的或者是非现实的物体进行建模。 2 1 2 三维模型表示的结构方法 表示三维模型的方法有：与静止图像、音频、视频相比，三维模型的表示具 有如下特点： ( 1 ) 没有固有的数据顺序。音频、视频的数据是按时间顺序排列的，静止图 上海大学硕士学位论文 像、视频的帧则以扫描线顺序排列，而三维模型却没有一个固定的数据顺序。 ( 2 ) 没有明确的采样率的概念。三维表面模型中的数据，不具有像图像、音 频、视频那样的方便的数学工具( 如余弦变换、f o u r i e r 变换、小波变换等) 可以 使用。 。 ( 3 ) 模型数据中不但包含几何信息还有拓扑信息，使水印提取时候的同步 问题更加复杂。 ( 4 ) 表示方法并非唯一。同一个三维模型，可以用多种不同的模型表示，在 不同模型间进行转换的过程中，容易引起属性损失。没有图像、视频中自然存在 适合于嵌入水印的噪声存在。 ( 5 ) 对模型进行几何和拓扑操作的工具很多，使对模型的修改更加容易。一些 图像水印、音频水印、视频水印中的问题，如有损压缩、同步问题等。三维水印 同样存在。 表示三维模型的主要方法有： 线框模型它是利用对象形体的边和顶点来表示几何形状的一种模型，只能 反映出三维物体的一部分形状信息，难以表示物体的剖面图、消隐线及两个面的 交线或轮廓线等，不能完整的定义三维物体。线框模型在三维处理上有很多困难， 如消隐、着色、特征处理等。 表面模型它把线框模型中棱线所包围的部分定义成形体的表面，增加面的 有关信息及连接指针，然后利用形体表面的集合来描述形体的形状。表面模型可 分为多边形网格表示法和参数曲面表示法。多边形可以使用足够的细节，可以