專利名稱：三維點模型的數(shù)字水印嵌入與提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對三維點模型的數(shù)字水印嵌入與提取方法，是一種特別適用于 三維數(shù)字產(chǎn)品的認(rèn)證、數(shù)字版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印嵌入與提取方法。
背景技術(shù)：
三維模型在數(shù)字娛樂、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)游戲以及工業(yè)設(shè)計等技術(shù)領(lǐng)域得到了越來 越廣泛地運用。精確的三維模型生成和處理是非常昂貴和耗時的，這些三維產(chǎn)品的生產(chǎn)者 或版權(quán)所有者在虛擬空間中發(fā)布或銷售產(chǎn)品時不可避免地面臨版權(quán)保護(hù)、內(nèi)容認(rèn)證、內(nèi)容 真實性、使用控制和傳播途徑跟蹤等現(xiàn)實問題。數(shù)字水印技術(shù)是一種有效的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán) 保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)技術(shù)，在其他數(shù)據(jù)(宿主數(shù)據(jù))中嵌入具有可鑒別性的數(shù)字信號，而 不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性，在圖像、音頻和視頻等二維模型上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著 三維數(shù)字照相機和三維掃描儀的大規(guī)模普及與應(yīng)用，三維模型的數(shù)據(jù)量達(dá)到了十億的數(shù)量 級。由于三維模型數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和無序性，三維數(shù)字水印技術(shù)仍然處于研究階段，目前三 維數(shù)字水印的研究主要集中在三維網(wǎng)格模型，針對三維點模型的數(shù)字水印方法研究剛剛起步。
目前國內(nèi)外關(guān)于三維點模型的數(shù)字水印方法還存在著不少有待解決的問題
1)三維點模型往往數(shù)據(jù)量龐大，有的甚至達(dá)到了十億的數(shù)量級，目前提出的三維 模型數(shù)字水印的嵌入算法，大多是采用先構(gòu)建網(wǎng)格，然后再添加水印，然后再丟棄拓?fù)湫畔?的方式。由于構(gòu)建網(wǎng)格本身就有很大的工作量，再加上點模型數(shù)據(jù)量巨大，導(dǎo)致三維點模型 水印的嵌入和提取算法存在著計算量大、嵌入與提取速度慢等缺點。
2)很難將三維點模型變換到頻域進(jìn)行操作。由于三維點模型數(shù)據(jù)沒有拓?fù)湫畔ⅲ?且具有不規(guī)則性，所以在水印嵌入過程中，缺乏進(jìn)行頻率分解的某種自然的參數(shù)化方法。三 維模型數(shù)據(jù)沒有一個固定的排序標(biāo)準(zhǔn)，而對靜止圖象來說卻可以按照像素點的平面位置排 序，對音頻流和視頻流數(shù)據(jù)可以按照時間軸來排序，對于這種不規(guī)則的數(shù)據(jù)類型，不能簡單 地應(yīng)用已有的各種變換域水印算法，需要尋找適當(dāng)?shù)哪軌蚍从橙S模型數(shù)據(jù)特征的參數(shù)用 于各種變換域水印算法。
3)三維點模型的攻擊處理操作種類繁多、千差萬別。有的操作對三維模型屬性沒 有進(jìn)行任何改變，卻嚴(yán)重影響了水印的檢測，如平移、旋轉(zhuǎn)、均勻/非均勻縮放、頂點重排 序、重采樣等。這些攻擊操作給三維模型水印檢測帶來了極大的困難。
PCA方法在現(xiàn)有技術(shù)中是具有很高普適性的方法，常被用于計算機視覺和模式識 別中。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明為解決上述問題，提供一種針對三維點模型的數(shù)字水印嵌入 和提取方法，這種方法能直接對三維點模型進(jìn)行水印嵌入和提取，計算量適中；通過分層投 影方法將模型轉(zhuǎn)換到頻域，使二維頻域水印算法能直接用于三維點模型；對各種攻擊都能保持一定的魯棒性。
2、技術(shù)方案
一種三維點模型的數(shù)字水印嵌入與提取方法，包括以下步驟
1)采用PCA主元分析方法，得到點模型的三個主方向，構(gòu)建新的三維坐標(biāo)。原點位 置即為模型的重心0。通過歸一化方法將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到
之間。采用主元分析，能夠抵抗 各種仿射變換攻擊，具有較強的幾何不變性。
2)分層投影法
以原點為球心，單位1為半徑的球體內(nèi)壁為投影面。以原點為視點，將視點所見的 三維點模型(標(biāo)記為Pi)投影到投影面，生成點P/，i表示第幾次被投影，并且在三維點模 型上去除這些點；重復(fù)上述操作，直到模型上所有點都被標(biāo)記為止。實現(xiàn)點云的分層球面化 過程。
3)將球面數(shù)據(jù)P' i的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為球面坐標(biāo)，由于球半徑固定為1，因此P' i 實際上可以表示為二維坐標(biāo)P' , Φ)，其中θ，Φ分別為經(jīng)緯角度。
4)對球面數(shù)據(jù)P' ，Φ)進(jìn)行頻域分析，在低頻部分添加水印信息。然后逆變 換，反映射到三維模型上，得到嵌入水印后的三維模型。
5)水印提取時，同樣首先進(jìn)行主元分析和歸一化進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)。然后進(jìn)行分層投 影，再根據(jù)特征向量和特征值求出模型的譜系數(shù)，與原模型的譜系數(shù)比較，就可以得出水印 fn息ο
3、有益效果
1)本發(fā)明給出的一種針對三維點模型的數(shù)字水印方法，巧妙的利用視點投影對三 維模型進(jìn)行分塊，這種分塊的思想使得模型在受到比較大的變形和剪切攻擊的時候，仍然 能檢測出水印，增加水印的魯棒性。
2)本發(fā)明采用可視算子對三維點模型進(jìn)行分層映射，計算復(fù)雜度為O(n)，求點集 的凸包的計算復(fù)雜度為Ofclogn)，因此總的計算復(fù)雜度近似為Ofclogn)。計算量適中，適 用于大規(guī)模的點模型的處理。
3)分層投影將三維模型映射到球面，將三維數(shù)據(jù)降維為二維數(shù)據(jù)，大多數(shù)經(jīng)典的 二維數(shù)字水印方法都可以與用到三維點模型上。
4)本發(fā)明通過水印信息生成的地址碼來確定嵌入水印信息的位置，可以在一個點 嵌入多個比特的效果，有效提高了峰值信噪比值(PSNR)，提高了水印容量。
5)本發(fā)明的方法對各種攻擊，如平移、旋轉(zhuǎn)、均勻/非均勻縮放、頂點重排序、重采 樣等有很強的魯棒性。
本發(fā)明的方法適用于三維點模型的產(chǎn)品追蹤和版權(quán)保護(hù)，有效的增強了三維數(shù)字 產(chǎn)品安全性。


；
圖1為本發(fā)明的水印嵌入的流程圖2為本發(fā)明的水印提取流程圖3(a)和圖3(b)為本發(fā)明的分層投影法原理圖。
具體實施方式
；下面結(jié)合附圖和實際三維點模型的水印嵌入和提取判決過程，通過實例對本發(fā)明 做進(jìn)一步闡述分層投影法對于三維點模型上的所有點P = {Pj I 1彡j彡η}，通過PCA分析和坐標(biāo)平移歸一 后，分層投影的目標(biāo)是將視點放在原點位置0，向三維模型發(fā)出射線，首次相交的點即為可 見點，然后將此點投影到球面上即可，對于三位網(wǎng)格模型，可以通過三位面片與射線相交的 方法來求得交點，然而對于三維點模型沒有面的概念，本發(fā)明采用視點算子來進(jìn)行計算
權(quán)利要求
1. 一種三維點模型的數(shù)字水印嵌入與提取方法，包括添加數(shù)字水印和提取數(shù)字水印的 過程1)添加數(shù)字水印的步驟包括1. 1)對三維點模型進(jìn)行主元分析采用PCA主元分析方法，得到三維點模型的三個主方向，構(gòu)建新的三維坐標(biāo)；該三維坐 標(biāo)的原點位置即為三維點模型的重心0;通過歸一化方法將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到
之間； 1. 2)坐標(biāo)平移、縮放，以及視點分層以步驟1. 1)所述三維坐標(biāo)的原點為球心，單位1為半徑的球體內(nèi)壁為投影面，以原點 為視點，將視點所見的三維點模型Pi投影到投影面，生成點Pi'，i表示第幾次被投影，并且 在三維點模型上去除這些點；重復(fù)上述操作，直到三維點模型上所有點都被標(biāo)記為止； 1. 3)把三維坐標(biāo)下的三維點模型的轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)下的二維圖像 將球面數(shù)據(jù)P' i的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為球面坐標(biāo)，由于球半徑固定為1，因此P' i表示為 二維坐標(biāo)P' i(e，Φ)，其中Θ，Φ分別為經(jīng)緯角度；1.4)添加數(shù)字水印對球面數(shù)據(jù)P' (θ , Φ)進(jìn)行頻域分析，在低頻部分添加水印信息；然后進(jìn)行步驟 1. 1) 1.4)的逆變換過程，反映射到三維模型上，得到嵌入水印后的三維點模型；2)提取數(shù)字水印的步驟包括2.1)對嵌入水印后的三維點模型進(jìn)行主元分析采用PCA主元分析方法，得到嵌入水印后的三維點模型的三個主方向，構(gòu)建新的三維 坐標(biāo)；該三維坐標(biāo)的原點位置即為嵌入水印后的三維點模型的重心0 ；通過歸一化方法將 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到
之間；2. 2)坐標(biāo)平移、縮放，以及視點分層以步驟2. 1)所述的三維坐標(biāo)的原點為球心，單位1為半徑的球體內(nèi)壁為投影面，以原 點為視點，將視點所見的嵌入水印后的三維點模型A+投影到投影面，生成點Α+’，η表示第幾 次被投影，并且在嵌入水印后三維點模型上去除這些點；重復(fù)上述操作，直到嵌入水印后三維點模型上所有點都被標(biāo)記為止； 2. 3)把三維坐標(biāo)下的三維點模型的轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)下的二維圖像 將球面數(shù)據(jù)A+’的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為球面坐標(biāo)，由于球半徑固定為1，因此A+’表示為二維 坐標(biāo)iT隊灼，其中θ，φ分別為經(jīng)緯角度； 2. 4)提取數(shù)字水印對A+’汐，而進(jìn)行頻域分析，得到譜系數(shù)A+，與原模型、即未嵌入水印的三維點模型的譜 系數(shù)4進(jìn)行比較，則回復(fù)出水印序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維點模型的數(shù)字水印嵌入與提取方法，其特征是所述步驟 1.3)中，具體步驟包括先采用視點算子來進(jìn)行計算A=尸,+2(1-||凡|)&，得到了A與I IpiI I成線性反比，視點算子將模型上所有的點Pi沿著0與？1的射線映射到單位球面以外，形成點集片；計算點集^U{0}的凸包，那么在凸包上的點就是在視點0處能夠看到的點，對于這部 分片，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面坐標(biāo)灼，距離0點的距離為1，即片隊灼； 步驟2. 中的具體步驟，方法與此相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維點模型的數(shù)字水印嵌入與提取方法，其特征是所述步驟 1.4)中將球表面的信號分解為拉普拉斯特征向量的線性組合，利用低頻部分進(jìn)行水印添加； 對于特征向量的優(yōu)化采用Arnoldi迭代過程進(jìn)行，產(chǎn)生點集P' i的拉普拉斯矩陣的m 個最小特征值和對應(yīng)的特征向量\ ；然后根據(jù)特征值的大小對特征向量進(jìn)行排序。 P' i能被映射到m個特征向量、得到譜系數(shù)\ (j = l...m)Z
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維點模型的數(shù)字水印嵌入與提取方法，其特征是所述步驟 2.4)中，譜系數(shù)2 +，與&進(jìn)行比較的方法是
全文摘要
一種針對三維點模型的數(shù)字水印嵌入和提取方法，首先利用主成分分析方法重構(gòu)模型的坐標(biāo)，然后通過可視化算子，以重心為視點，在以重心為球形的球面內(nèi)部形成多幅投影圖像，將三維模型轉(zhuǎn)換為二維圖像，然后運用二維頻域分析方法，對于低頻部分的譜系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且映射回三維模型上，實現(xiàn)三維點模型的水印嵌入與提取。本發(fā)明計算量適中，水印容量大，適用于大規(guī)模點模型，并且能夠抵抗各種仿射變換攻擊，并且對頂點重排序、重采樣等多種攻擊都有一定的魯棒性，有效地保護(hù)了三維數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)。
文檔編號G06T1/00GK102044059SQ201010581488
公開日2011年5月4日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者吳含前, 姚莉 申請人:東南大學(xué)