（计算机应用技术专业论文）特征点区域的三维网格盲水印算法(1).pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 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。 1 9 9 8 年，o h b u c h i 最早讨论了向三维多边形模型嵌入数据的三种方法。而p r a u n 于1 9 9 9 年发表的文章中提出先对网格进行重新网格化、配准等预处理再嵌入水印 的方法，在三维网格水印研究领域具有重要影响。国内，浙江大学的尹康康等提 出的基于多分辨率处理的三维网格水印算法实际上提出了一种网格水印框架，可 以应用到其他网格模型中提高它们的鲁棒性，具有十分重要的意义。2 0 0 7 年， p a t r i c er o n d a oa l f a e e 等人在他们的论文中首次将突出函数引入水印方案以确定 特征点，并基于特征点来定义嵌入区域，但这一系列步骤均是基于测地距离进行 的，测地距离地使用确实更好得反映了网格的特征但同时也大大增加了计算的复 杂度，并且嵌入区域的定义有时会受到相邻尖点的影响，这又降低了对于剪切攻 击的鲁棒性；j a e - w o nc h o 在他2 0 0 5 年的论文中提出了一种新的水印嵌入方法， 这种方法将球面半径最大和最小值之间按水印位数划分为若干区段，对每个区段 内的球面半径求平均值并和区段的中间值比较，根据比较结果和嵌入位调整区间 内点的球面半径，这种方法利用了各个量之间的关系，为盲水印方案提供了一种 新的启示，但由于是多个分量决定一个水印位，这也同时降低了水印的容量。总 而言之，虽然取得了很大的成果，但是三维网格水印却仍然是一个亟待研究的领 域，尤其是在频域水印和盲水印方面。 由于频域算法经常意味着复杂的变换，再加之水印算法本身较大的计算量， 使得水印算法的效率也成为一个值得研究的问题。本文力图在保证盲水印信息容 量的同时，尽可能的减少算法计算量，从而找出一种在频域上更为高效的嵌入算 法。频域算法是相对于空域算法而提出的，它们的区别主要在于水印嵌入的特征 山东大学硕十学位论文 集合不同。频域算法先将模型进行某种变换，如离散余弦变换( d c t ) 、傅立叶 变换、小波变换等，然后修改频域系数来嵌入水印。频域水印将改变分散到网格 的各个部分，因而一般相对空域水印具有更好的鲁棒性；空域算法一般直接在原 始网格中通过调整网格几何、拓扑和其他属性的参数嵌入水印。 本文基于上述最新的研究成果，提出了一种基于频域的鲁棒三维网格盲水印 算法。本算法首先寻找网格的特征点，即那些具有最突出特征的点；然后根据指 定半径以这些特征点为圆心确定嵌入区域；接下来在每个嵌入区域都将执行相同 的嵌入操作，把区域内点从笛卡尔坐标系变换到球面坐标系，对这些点的球面半 径进行离散傅立叶变换( d f r ) ；调整频域系数以嵌入水印。最后，经过d c t 反 变换和坐标反变换得到嵌入水印后的网格模型。这种确定嵌入区域的方式使得网 格水印对于剪切攻击具有很好得鲁棒性。离散傅立叶变换使得水印具有良好的不 可见性和抵御噪声攻击的能力。实验结果也表明嵌入过程没有使网格质量大幅下 降，且这种水印方案对于平移、缩放、旋转及剪切等常见攻击具有较强的鲁棒性。 关键词：数字水印：三维网格模型；球面坐标；d f t i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec 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 dv 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 e 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 a sm 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 ，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 t h e i r p r o d u c t s i nv i r t u a l s p a c e w i l lf a c e c 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 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 san 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 n19 9 8 ，o h b u c h ii n t r o d u c e dt h r e em e t h o d st oi n s e nt h ew a t e r m a r ki n t ot h em e s h i n19 9 9 ，p r a u ni n t r o d u c e dt h ea l g o r i t h mt ow a t e r m a r ka f t e rr e m e s h , r e g i s t r a t i o na n d o t h e rp r e p a r a t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h ew a t e r m a r kr e s e a r c ho ft h em e s h i n d o m e s t i c ，k a n g k a n gy i no fz h e j i a n gu n i v e r s i t yi n t r o d u c e dt h em e t h o db a s e do nt h e m u l t i - r e s o l u t i o np r o c e s s i n g t h ea l g o r i t h mi saf r a m eo ft h ew a t e r m a r k i tc a nb eu s e d i n t ot h eo t h e rw a t e r m a r km e t h o d so ft h em e s ht oi n c r e a s et h er o b u s t n e s s ，w h i c hh a s g r e a ts i g n i f i c a n c e i n2 0 0 7 ，p a t r i c er o n d a oa l f a c ea n dh i sf e l l o w sf i r s t l yi n t r o d u c e d t h ep r o t r u s i o nf u n c t i o ni n t ot h ew a t e r m a r k i n gs c h e m et og e tt h ef e a t u r ep o i n t si nt h e i r p a p e r a n dt h 盯d e f m e dt h ea r e a st ob ee m b e d d e dw a t e r m a r kb a s e do nt h ef e a t u r e p o i n t s b u tt h ea p p r o a c hi si m p l e m e n t e db a s e do nt h eg e o d e s i cd i s t a n c e t h eg e o d e s i c d i s t a n c er e a l l yc a nw e l lr e f l e c tt h ef e a t u r eo ft h em e s h ，w h i l ei ti n c r e a s e sm u c hm o r e c o m p l e x i t yo fc o m p u t i n g a n dt h en e i g h b o rp r o n g sa l s oc a l li n f l u e n c et h e w a t e r m a r k i n ga r e a ss o m e t i m e s t h i sm e a n st h a ti ti sl e s sr o b u s ta g a i n s tt h ec r o p p i n g j a e - w o nc h op r e s e n t san e ww a t e r m a r k i n gm e t h o di nh i sp a p e rr e l e a s e di n 2 0 0 5 t h i sm e t h o dd i v i d e st h em a r g i nb e t w e e nt h em a x i m u ma n dt h em i n i m u mo ft h e s p h e r er a d i u si n t os e v e r a le q u a lp a r t s t h en u m b e ro ft h eb i n si se q u a lw i t ht h e n u m b e ro ft h ew a t e r m a r k i n gb i t s a f t e rc o m p u t i n gt h em e a no ft h er a d i u so f e v e r yb i n ， t 1 1 e yc o m p a r et h em e a n 谢t ht h em i d d l eo ft h eb i n a tl a s t ，吐l e ym o d i f i e dt h er a d i u s e s b a s e do nt h ec o m p a r i n gr e s u l t sa n dt h eb i t st ob ew a t e r m a r k e d t h i sm e t h o dg i v e st h e 山东大学硕士学位论文 i n s p i r a t i o nf o rt h eb l i n dw a t e r m a r k i n gs c h e m e b u tb e c a u s eo fab i td e t e r m i n e db y s e v e r a l s p h e r er a d i u s e s ，t h ew a t e r m a r k i n gc a p a c i t yb e c o m e sl o w e r i naw o r d , a l t h o u g hw eh a v eh a dal o to fg o o dw o r k ，t h ew a t e r m a r kf o rt h em e s hs t i l ln e e d st ob e r e s e a r c h e d ，e s p e c i a l l yi nt h ef r e q u e n c yd o m a i na n dw h i c hi sb l i n d b e c a u s eo ft h et r a n s f o r m i n go ft h ew a t e r m a r ki nt h ef r e q u e n c yd o m a i na n dt h e c o m p l e x i t yo ft h em e s hw a t e r m a r ka l g o r i t h m , i tm a k e st h ee f f i c i e n c yo ft h em e s h w a t e r m a r kb e c o m et h ep r o b l e mw h i c hn e e d st ob er e s e a r c h e d t h ep a p e ra i m st o f i n dan e we f f i c i e n tm e t h o dt ow a t e r m a r kb yr e d u c i n gt h ec o m p u t i n gw i t ht h eh i g h c a p a c i t y t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef r e q u e n c yw a t e r m a r ka n dt h eg e o m e t r y w a t e r m a r ki st h ed i f f e r e n to b j e c t st ob ew a t e r m a r k e d t h ef i r s tk i n do ft h ew a t e r m a r k i sa l w a y st r a n s f o r m i n gt h em e s hb yd c t , f 兀，d w ta n ds oo n t h e nw a t e r m a r ki s i n s e r t e db ym o d i f y i n gt h ef r e q u e n c yc o e f f i c i e n t s t h ew a t e r m a r ki nt h ef r e q u e n c y d o m a i nm a k e st h ec h a n g es p r e a da l lo v e rt h em e s h ，s oi ti sa l w a y sm o r er o b u s tt h a n t h ew a t e r m a r ki nt h eg e o m e t r yd o m a i n ；t h eo t h e rk i n di si n s e r t e db ym o d i f y i n gt h e c o e f f i c i e n t sl i k et h eg e o m e t r y , t o p o l o g ya n dt h eo t h e rp r o p e r t yo ft h em e s h 。 b a s e do nt h en e w r e s e a r c h ，t h ep a p e ri n t r o d u c e san e w b l i n dm e s hw a t e r m a r k i n g s c h e m ei nt h ef r e q u e n c yd o m a i n f i r s t , w ec h o o s et h ep r o n g so ft h em e s hw h i c hb e s t r e f l e c tt h ef e a t u r eo ft h em e s h ；s e c o n d l y , t os u p p o s et h a tt h ep r o n g sa r et h ec e n t e ro f t h ec i r c l ea n dt h el e n g t hw ec h o o s ei st h er a d i u s ，w ec a ng e tt h ea r e aw h i c hc o u l db e w a t e r m a r k e d ；a n dt h e n ，w i t ht h es p h e r ec o o r d i n a t e ，w ew i l lg e tt h ed i s t a n c e sf r o m t h eo b je c tc e n t e rt ot h ev e r t i c e s ，a n dp e r f o r mad f to ni t ；t h ew a t e r m a r kw i l lb e e m b e d d e db yc h a n g i n gt h ed f tf r e q u e n c yc o e f f i c i e n t s a tl a s t , t h ew a t e r m a r k e d3 d o b je c ti sp r o d u c e db yr e v e r s ed f ta n dt h ec o o r d i n a t et r a n s f o r mf r o ms p h e r et o c a r t e s i a n t h em e t h o dc o u l dm a k et h em e s hb e c o m er o b u s tt ot h ec r o p p i n g t h e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r mc a l la c h i e v et h a tt h ee m b e d d e dw a t e r m a r ki si n v i s i b l e a n dt h es c h e m ei sr o b u s ta g a i n s ta d d i t i o no fn o i s e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i sw a t e r m a r k i n gs c h e m ed o e s n tm a k et h eq u a l i t yo ft h em e s hd r o ph e a v i l ya n dt h e m e t h o di sr o b u s ta g a i n s ta t t a c k ss u c h 笛r o t a t i o n ，t r a n s l a t i o n ，u n i f o r ms c a l i n ga n d e v e nc r o p 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：丝 望日期：丝翌幺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：么丝亡塑导师签名：牝日 期：望盟 l l i 东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 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 深入，三维网格模型正逐步成为网络上的三维图形数据的主要交换形式。作为一 种新兴的媒体数据，三维网格模型已经迅速广泛应用在三维动画、工业制造、虚 拟现实等各个领域。与此同时，多媒体信息处理技术和互联网的飞速发展，又进 一步地促进了三维网格数据在各个领域的应用和传播。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三维网格数据。如何有效地保护这些三 维网格数据的知识产权，已经成为学术界与产业界共同关注的问题。 目前已经存在对三维模型知识产权的多种保护手段，数字水印是其中最简 单、快速和令人信服的证据。因此，三维网格数字水印技术( 3 dw a t e r m a r k i n g ) 作为保护三维网格数据版权的一种方法受到人们的极大关注。它将版权信息作为 水印隐藏在目标网格中，对于网格数据的使用者是不可见的，而且不影响数据的 正常使用。当需要时，可以提取网格中的水印信息，以供验证版权、认证等使用。 总而言之，三维网格模型( 由于在各个领域的应用不同) 都有其应用领域， 需要考虑其相应的物理特性和意义，因此在将水印信息隐藏进三维模型时如何保 证这些特性的完整性而又能确保水印的可用性是在应用领域中面i 临的共性科学 问题。本文所属的数字水印项目将力图建立三维网格模型的评估标准，并以此标 准为指导提出鲁棒的盲水印算法，最后用所搭建的三维水印检测平台来验证其有 效性。 对上述问题的研究将对三维水印技术的发展起到重要的推动作用，从而为三 维网格数据的使用和传播提供可靠的知识产权保护，提高自主创新的积极性，为 数字娱乐、制造业、虚拟现实等领域提供有力的支持。 1 2 三维网格数字水印的基本概念及相关研究工作 根据第一节的相关介绍，我们可以给出三维网格数字水印技术的概念，它是 山东大学硕士学位论文 指在三维网格模型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，如 图11 所示。这些被嵌入的内容称为水印。水印与原始网格紧密结合并隐藏其中， 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。三维网格 数字水印是水印技术的一个重要的应用分支。 图1 1 水印嵌入过程 因为二维水印对于三维网格水印的重要借鉴意义，在讨论三维网格数字水印 算法之前有必要回顾一下二维水印方面的重要工作。文献f 1 是第一篇在主要会议 上发表的关于数字水印的文章，此算法首先把一个密钥输入一个1 3 1 - 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，按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n t b i 乜) 。 n i k o l a i d i s l 2 1 u m 像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。黄继武等9 ”提出 一种d c t 域数字水印算法：该算法对选定的d c t 系数进行微小变换以满足特定 的关系，来表示一个比特的信息。b e n d e r l f 拘p a t c h w o r k 算法是将水印信息嵌入像 索的统计特征。 三维网格水印方面的研究，最早出现在1 9 9 8 年，当时在文章中，0 l l b u d l i 问 最早讨论了向三维多边形模型嵌入数据的三种方法。应用到三维对象几何特征上 的许多方式都是旨在保证几何变换的不变性，这可以通过利用各种二维或三维几 何方法 崃实现。b e n e d e n s 在论文嗍中报告了他版权保护水印算法的结果，这种 算法是在表面法向柱状图中进行修改来嵌入水印。在k 0 h 与 i a r c e 的文章中瑚。 山东大学硕士学位论文 暑i i i i 一! i i 一mm 皇皇基鼍皇曼舅曼曼量皇皇 局部统计被用来向三维对象嵌入水印。p r a u n 1 3 1 已经考虑了用于网格水印的多分 辨率滤波器和插值表面基函数的联系，而在尹康康等人的论文里 1 4 1 ，则讨论了与 基于金字塔的算法的联系。b e n e d e n s 和b u s c h 1 5 1 提出了三种不同的算法，每种算 法适于特定应用并对特定攻击具有鲁棒性。在n u r b s 定义的表面中嵌入数据的 算法主要有：b e n e d e n s 【9 1 提出采用改变控制点的方式；o h b u c h i 【1 6 1 则利用了重新 参数化。k a n a i 和y a n g 1 8 】则使用多边形的小波分解来进行三维水印嵌入。 o h b u c h i 【1 蝴1 1 提出了在网格的频域利用拉普拉斯图进行水印嵌入的算法。 国内，浙江大学c a d & c g 实验室的研究人员也较早的进行了相关研究，发表 了【扭2 4 】基于g u s k o v 分解的三角形网格数字水印算法，基于球面参数化和调和分 析的三维模型水印算法等一系列重要研究成果。 从a c m 与i e e e 等会刊的相关论文来看，三维网格数字水印的研究在2 0 0 5 年 前后到达了一个低谷，似乎遇到了很大的困难，而2 0 0 7 年又出现了复苏的迹象。 0 5 年以前盲水印的算法较少，0 6 年以后研究力度开始加大，但仍有较大的改进空 间。新的水印嵌入方式、水印质量评估的标准、盲水印等问题仍将是未来的研究 热点。 总结已经提出的三维水印算法，可以得出几个特点。一些三维水印算法【9 1 2 ”1 基于顶点位置的变化，而另一些【9 1 1 1 则通过改变网格的局部连接来实现。 b e n e d e n s 【1 5 t2 2 1 考虑了三维水印背景下局部法向量的最小化。o h b u c h i 等1 6 a1 5 1 则采用了局部化的嵌入。初始值的嵌入排列已经被按照它们的定位方式分为：全 局的，局部的或索引的。为了增加三维对象对于剪裁攻击的鲁棒性，c a y r e 1 2 1 1 采取了局部化和重复相结合的嵌入方式。 对比以前的算法，更好的水印算法应该做到：在探测阶段，水印系统只要求 水印密钥以及被嵌入水印的对象。然而，大多数的三维对象水印算法是非盲的， 它们在探测时还需要原始对象 1 6 2 1 】。一些算法 1 3 - 1 5 1 则要求复杂的配准步骤或是在 探测阶段提供附加的嵌入过程信剧8 9 】。 其中，三维网格数字水印空域算法一般直接在原始网格中通过调整网格几 何、拓扑和其他属性的参数嵌入水印，它们的特点是：( 1 ) 大部分空域算法通过 把水印信息的一个( 或几个) 元素嵌入到三维模型的一个嵌入单元，且可以重复嵌 入；( 2 ) 空域算法基本上是通过距离、面积、体积及向量方向的改变把水印嵌入到 3 山东大学硕十学位论文 顶点的坐标上；( 3 ) 空域算法的鲁棒性是通过不变量( 如仿射变换不变量) 、重复嵌 入和统计量( 面片集的法向量) 的稳定性获得的；( 4 ) 空域算法的计算量一般不大。 另一方面，频域算法通过在变换和反变换过程中修改频域系数来嵌入水印， 它们的特点是：水印序列的一个元素被嵌入到模型的多个顶点中，这有利于提高 算法的鲁棒性，也是变换域算法的优点所在；其缺点是严格依赖顶点的排列顺序， 对旋转等操作引起的顶点坐x ，y ，z 改变敏感。所以变化域算法基本上都是非盲 水印，主要原因就是要根据原始模型进行网格对齐，确定顶点顺序、对剪切等攻击 进行补偿等。显然，网格简化的顺序和网格对齐的结果直接影响到水印的检测，但 除文献p s 外，变换域算法中都没有讨论水印的嵌入、噪声以及其他会引起顶点坐 标变化的攻击对网格对齐和网格简化顺序的影响。由所见论文可知，大体上，空 域水印算法简单、直观、且速度快，但鲁棒性较差；而频域水印算法则相反。 尽管三维网格数字水印在空域和频域两个方向均取得了巨大的进展，但仍然 远未达到应用的要求。空域频域各自的局限性都很明显，因此考虑能将空域与频 域的方法加以结合，例如先在空域中寻找满足要求的特定点，再将其变换到频域 进行水印嵌入。另外，由二维水印的发展可以来看，在s t i r m a r k 标准和 v o l o s h y n o v s k i y 标准出现之后，几乎所有之前的水印算法在新标准下都变得不堪 一击。因此，接下来亟需建立一套三维网格水印的强壮性评估标准，用来对水印 算法的好坏提供客观的评价。可以预见的是，随着新的三维网格数字水印评估标 准的出现，过去的所谓鲁棒的算法都将面临巨大的考验，水印评价混乱的局面也 将被彻底终结。 解决好上述问题可以提高三维网格数字水印的鲁棒性和效率，为三维网格数 据的使用、传播提供理论和方法。同时，项目将开发包括攻击检验模块的三维网 格数字水印系统，这将为水印的演示、评价提供一个整合的平台，形成有特色的 具有自主知识产权的三维网格数字水印综合系统，从而为我国三维网格数据在互 联网上的利用、传播以及知识产权保护事业做出重要的贡献。 1 3 研究目的和主要成果 三维网格数字水印根据角度的不同可以分为许多类别，而本文则主要就三维 网格的频域算法和盲水印的一些问题进行研究。由于频域算法复杂的变换和水印 4 l l j 东大学硕士学位论文 算法本身较大的计算量，如何提高水印算法的效率确实亟待研究。盲水印由于在 水印提取时不需要原始网格，表现出很大得方便性，但对盲水印的研究还不多， 且盲水印的容量也一直是一个有待解决的问题。本文旨在找出一种在频域上更为 高效的嵌入算法，它既能最大程度上减少算法的计算量，同时又可以保证盲水印 的信息容量。除此以外，它当然还应具备水印不可见性及对常见攻击的鲁棒性。 因此，基于最新的研究成果，本文提出了一种基于频域的鲁棒三维网格盲水 印算法。本算法首先寻找网格的特征点，即那些具有最突出特征的点；然后根据 指定半径以这些特征点为圆心确定嵌入区域；接下来在每个嵌入区域都将执行相 同的嵌入操作，把区域内点从笛卡尔坐标系变换到球面坐标系，对这些点的球面 半径进行离散傅立叶变换( d f t ) ；调整频域系数以嵌入水印。最后，经过d c t 反变换和坐标反变换得到嵌入水印后的网格模型。 通过实验，可以看出本文算法的水印嵌入并没有导致网格质量的明显下降， 而且对l ：匕a l f a c e 等人的水印表现，本文的水印方案在光顺、噪声等攻击下的抵御 能力获得了一定程度的提高，同时对平移、缩放、旋转及剪切等常见攻击具有较 好的鲁棒性。 1 4 各章节安排 本文第二章介绍了三维网格水印的基本原理和主要理论，并介绍了当今三 维水印的发展情况，主要是一些具有代表性的嵌入算法及攻击技术。 第三章重点分析了当前频域方面的典型水印算法，且特别针对盲水印技术 进行了讨论。本章指出了这两者今后可能的研究方向。 第四章着重阐述了我们自己的三维网格数字水印算法，这是一种频域上的 三维网格盲水印算法。本文的算法基于图像中的特征点，进而确定水印的嵌入 区域，并大大提高了水印算法的效率。最后，通过水印攻击算法的结果证明了 本文算法的鲁棒性。 第五章给出了我们对于当前水印研究现状的看法，并对未来三维网格水印 的发展方向进行了展望。 5 山东大学硕士学位论文 第2 章三维网格水印基本原理及发展概况 信息技术的飞速发展，使得人们之间的资讯交流更加通畅。各种形式的资 源在网络中方便而快捷的传输，人们可以轻松的下载、复制信息或将信息传递 出去。但如何保护人们发布的资源免受他人的非法篡改、破坏，则是电子媒体 知识产权领域一个亟待解决的问题。 数字水印技术作为一种电子版权保护技术在二十世纪九十年代被广泛研 究，目前在二维数字图像和视频领域已获得大量应用。它的主要思路是：将水 印信息嵌入到目标图像中，这些信息必须不被用户察觉且不影响原图像的使用。 相对于二维图像，三维网格数据的数字水印还亟待深入研究。 2 1 三维网格数字水印的基本特性 根据信息隐藏的目的和技术要求，三维网格数字水印应该具有以下基本特性 2 5 - 2 7 ，它们是水印评价的重要依据： 1 水印容量：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。 2 水印隐藏：经过一系列处理嵌入水印后，目标模型数据必须没有明显的降 质现象，而隐藏数据也无法被使用者察觉； 3 鲁棒性：指经受各种处理和攻击操作而不丢失水印信息的能力。所谓的操 作包括：旋转，平移和均匀放缩；多边形简化；顶点随机排序；网格重建，产生 边长和面大小形状相同的块；网格光顺操作；模型剪切；局部变形。 由于其他的一些更复杂的几何操作如沿任意轴的非均匀放缩等，可能降低模 型的视觉质量和可用性。因此一个三维网格水印系统不考虑对上述操作提供强壮 性要求：除了以上基本特性外，一些其他属性也是评价三维网格数字水印的重要 因素【”- 2 7 ： 1 执行速度：水印的植入和提取过程应该尽可能不需要用户的交互。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 山东大学硕士学位论文 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将有很高 的要求。 2 先验数据：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( 这个密钥是模型的授权使用者专用的) 。但实际情况是，水印的提取过程往 往需要更多的先验数据知识： ( 1 ) 三维网格模型本身，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后台处理能 力，使得当访问数据库中的大量模型数据时情况变得很糟。 3 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，重定位和放缩等。 2 2 数字水印的主要应用 大体来说，数字水印可以分为以下七个应用领域： 1 数字作品的知识产权保护 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印由于数字作品的拷贝、修改 非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害 作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字 作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布其 水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品或 水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。目前用于版权 保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶，m m 公司在其“数字图书馆”软 件中就提供了数字水印功能，a d o b e 公司也在其著名的p h o t o s h o p 软件中集成 了d i g i m a r c 公司的数字水印插件。 2 商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨、激光打印 机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加 7 山东大学硕士学位论文 容易。据报道，美国、日本以及荷兰都己开始研究用于票据防伪的数字水印技 术。麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、 复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时 地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。此外在电子商务中会出现大 量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成 熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为 各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。 3 篡改提示 由于现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到移花接木而不为人知，基于数字 水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判 断声像信号是否被篡改。为实现该目的，通常可将原始图象分成多个独立块， 再将每个块加入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确 定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水 印信号时，不需要原始数据。 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 内容保护 在某些应用中，模型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。 6 使用控制 这种应用的一个典型的例子是d v d 防拷贝系统，即将水印信息加入d v d 数据中，这样d v d 播放机即可通过检测d v d 数据中的水印信息而判断其合法 性和可拷贝性，从而保护制造商的商业利益。 7 隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，可以实现 网络情报战的革命。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用 山东大学硕士学位论文 公用网络进行保密数据传送。由于经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引 起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信 有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各 种信息隐藏，从而实现隐蔽通信。 2 3 三维网格数字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搬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曰= 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。 2 4 三维网格数字水印算法分析 如前所述，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。早先的三维网格数字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 网格数字水印算法的发展演变过程及其间的一些典型算法。其中既包含空间域算 法【6 2 5 ，2 6 ，2 7 2 2 9 ，也涉及变换域算法盼1 7 r1 9 1 。 9 山东大学硕士学位论文 ! l 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼量曼皇曼皇曼曼曼曼曼鼍 t s q 算法和珊l - 算法：o h b u c h i 3 0 1 等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 l i ，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 采样，多边形简化和顶点的随机序列化等攻击操作。t s q , i t 、很算法水印提取过 程都不需要原始模型的信息，适合用于公有水印系统。 b e n e d e n s 强壮水印算法：文章1 2 6 】中提出了一种对表面法向量进行扰动植入水 印的方法。输入的原始网格数据要求是三角形网格模型，算法采用网格三角形面 片作为植入基元，修改网格模型的法向分布植入水印，该算法适用于私有水印系 统，能够抵抗一些网格简化操作的攻击。 w a g n e r 强壮水印算法：w a 舯e r 【2 9 】利用图象水印中将水印加入到象素值较低 位这种简单水印技术思想，构造一组对各种变换操作不变的参数向量空间，通过 修改每个向量的相对长度值植入水印。实验证明这种算法对各种几何变换和仿射 变换具有较好的抗攻击性。算法的水印提取过程不需要原始网格模型的信息，适 用于公有水印系统。算法对输入网格模型的拓扑结构没有特殊的要求，可以处理 任意结构的网格模型。但对于重建网格等攻击操作算法抵抗性不足。 t o u b 算法：t o u b 2 8 1 提出了一种有效的加入授权信息的水印算法。算法在不改 变网格连通性的条件下对原始网格模型