基于虚拟图形水印的三维网格数据保护方法

技术领域

本发明涉及基于虚拟图形水印的三维网格数据保护方法。

背景技术

随着数字多媒体技术与网络的迅速普及，包括图像、视频、音频 在内的数字媒体信息的传播和交流日益频繁。网络的普及在方便信息 交流的同时，也为盗版者非法占有和传播数字制品提供了方便，多媒 体数字制品的产权保护问题在这样的背景下日渐突出。而对于三维模 型这种包含了设计人员智慧和汗水的媒体数据而言，对其的版权保护 显得尤为重要。数字水印作为信息隐藏的一种重要技术，为实现多媒 体产品的版权保护提供了新的手段，成为信息安全领域的研究热点。

数字水印是一种将特定的、可识别模型归属的信息隐藏于媒体信 息中的技术。它是一种新兴的多媒体信息保护技术，是对传统加密技 术的有效补充手段。传统的加密方法一直被认为是通信研究应用领域 中主要的信息安全手段而受到极大重视。近年来人们逐步认识到其对 多媒体内容的保护和完整性认证具有一定的局限性。首先，加密方法 只用在通信的信道中，密文数据因其不可理解性妨碍多媒体信息的传 播。其次，多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并 有被破解的可能。而一旦被破解后，其内容完全透明，版权所有者就 失去了对盗版的控制权。另外，密码学中的完整性认证是通过数字签 名方式实现的，它并不是直接嵌入到多媒体信息中，因此无法察觉加 密之后的信息在传播过程中内容被改变。

在三维模型应用领域存在着大量诸如版权保护、侵权检测等问题 需要解决。越来越多的三维数字产品在互联网上的传播，对于那些在 虚拟网络中提交或出售三维数字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阻止未经授权 而非法使用他们的数字产品的方法，而只允许被授权的用户对三维数 字产品进行复制、修改和再创造。

基于3D模型的复杂性和特殊性，通过对3D多边形网格数据中嵌 入数字水印，可以对3D模型和其他三维产品进行有效的保护。另外， 基于Intemet的交互式协同设计也需考虑对外与对内两类安全性问题， “对外”指数据存放于服务器上时，以及数据在传输过程中的安全性， 这是所有网络应用的共同问题。“对内”指参加协同设计的人员之间的 保密问题，由于基于Intemet的三维模型生产设计打破了设计主体在 地域和企业上的限制，一个产品的设计往往由多个企业参加，而今日 的合作伙伴很可能是明日的竞争对手，这使得人们会担心他人将自己 的设计成果留作它用。虽然运用产品数据管理系统对不同的设计人员 设置不同的权限可以使各设计人员只能获得他必需的数据，从而将数 据的外泄减到最少，但毕竟仍有许多场合设计人员必须向合作伙伴递 交完整的设计数据。网络环境下三维几何模型数字水印技术及算法研 究技术正是解决这一问题的理想途径，将版权信息、特殊工艺信息和 独有的知识产权信息等作为数字水印嵌入设计数据后，在他人未经许 可使用这些数据时可以以水印为证追究其侵权责任，这一领域已逐渐 成为数字水印应用研究的新热点。

发明内容

本发明要克服现有技术不能事先阻止未经许可的使用数字产品的 行为的不足，提供一种基于虚拟图形水印的三维网格数据保护方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于虚拟图形水印的三维网格数据保护方法，所述虚拟图形水印 的三维网格数据保护方法包括以下步骤：

（1）、设计一个具有标识意义的虚拟数字水印图形标识

（1.1）、确定一个基于三维网格数据包围盒的网格切面基准方向， 其主要的标识特征为虚拟网格切面方向矢量V（v_x,v_y,v_z）；

（1.2）、定义基于一组图形水印信息嵌入虚拟网格切面V_i（v_x,v_y,v_z）;

（1.3）、以三维网格质心为基准，确定的起始位置与虚拟网格切 面的间距λ（0≤λ）或λ_i（0≤λ_i，0≤i≤n）;

（1.4）、针对虚拟网格切面方向矢量V（v_x,v_y,v_z）和间距λ这二个 变量，设计具有标识意义的特定数字图形指纹编码；

（1.5）、此虚拟网格切面覆盖三维网格数字全图，也可以n组虚拟 网格切面(方向矢量V_i（0≤i≤n）重叠覆盖，随着n的增大，图形指纹 的鲁棒性越强;

（1.6）、为防止剪切，需要设计一个合适的网格切面间距λ（0≤ λ）；

（2）、虚拟网格切面图形水印特征点的嵌入策略设计

虚拟网格切面图形水印特征点的嵌入设计关系到水印算法的鲁棒 性，拟采用如下特征点嵌入策略：

（2.1）、当网格切面与空间线段相交，且交点与线段的端点重合 时，那么就不需要做任何的处理，直接使用端点；

（2.2）、当网格切面与空间线段相交，但交点与端点非常接近（小 于一个限定的误差值d）时，如图三所示，那么就删除原来最近的端点， 以新的交点代替端点；

（3）、三维网格数据虚拟图形水印的嵌入方法

对三维网格数据中的每个三角形面片与虚拟网格切面求解虚拟网 格图形水印特征点，并依据三维网格数据构建的边——三角形面片的 拓扑关系，依次搜索与虚拟网格切面存在图形水印特征点的三角形面 片,对存在的相关图形水印特征点，根据算法思想的特征点嵌入策略， 把相关图形水印特征点插入到三维网格数据中，并局部重组三角形面 片，具体方法步骤如下：

（3.1）、根据三维网格数据先生成网格数据包围盒作为水虚拟图 形水印嵌入的基准方向；

（3.2）、根据三维网格数据计算三维网格模型的质心坐标，为虚 拟图形水印嵌入的起始定位坐标；

（3.3）、为减少三角形面片的搜索量，提高算法效率，对三维网 格图形数据，构建边——三角形面片的拓扑关系；

（3.4）、若三角形面片不与平面平行，将存在交点。对三角形的 三条边分别进行求交计算，只要平面不与三角形顶点相交，则其中必 定与两条边有交点，此交点即是定义中的嵌入水印特征点；

（3.5）、已知三角形一边的直线L过点m（x_m，y_m，z_m），且方向 向量为n（x_n，y_n，z_n），平面P过点p（x_p，y_p，z_p），且法线方向向量为 V_p（vp_x，vp_y，vp_z），求得直线与平面的交点O的坐标(x_o,y_o,z_o)。

（3.6）、将直线方程写成参数方程形式，即有：

（3.7）、将平面方程写成点法式方程形式，即有：

vp₁*(x-x_p)+vp₂*(y-y_p)vp₃*(z-z_p)=0       （2）

（3.8）、则直线与平面的交点一定满足式（1）和（2），联立两式， 求得：

$t=\frac{((x_p-x_m)*{\mathrm{vp}}_x+(y_p-y_m)*{\mathrm{vp}}_y+(z_p-z_m)*{\mathrm{vp}}_z)}{({\mathrm{vp}}_x*(x_n-x_m)+{\mathrm{vp}}_y*(y_n-y_m)+{\mathrm{vp}}_z*(z_n-z_m))}---\left(3\right)$

（3.9）、如果（3）式中分母(vp_x*(x_n-x_m)+vp_y*(y_n-y_m)+vp_z*(z_n-z_m)) 为0，则表示直线与平面平行，即直线与平面没有交点；

（3.10）、当0≤t≤1时，三角形面片的边线段与虚拟网格切面有交 点；代入（1）式，求得交点O坐标(x_o,y_o,z_o)；

（3.11）、针对图形水印特征点，根据特征点嵌入策略进行处理；

（3.12）、按照三维网格数据的边——三角形面片的拓扑关系，搜 索下一个三角形面片，重复（3.4）——（3.11）进行水印特征点嵌入 处理；

（4）、三维网格数据虚拟图形水印的检测方法

三维网格数据虚拟图形水印的检测方法是三维网格数据虚拟图形 水印嵌入算法的逆过程，具体的方法步骤如下：

（4.1）、根据三维网格数据先生成网格数据包围盒作为水虚拟图 形水印检测的基准方向；

（4.2）、根据三维网格数据计算三维网格模型的质心坐标，为虚 拟图形水印检测确定起始定位坐标；

（4.3）、为减少三角形面片的搜索量，提高算法效率，对三维网 格图形数据，构建边——三角形面片的拓扑关系；

（4.4）、根据（1）中定义的具有标识意义的虚拟数字水印图形标 识参数（可以程序内置，也可以由配置文件配置)；

（4.5）、根据虚拟网格切面组V_i（v_x,v_y,v_z），以及三维网格数据质 心坐标P(vp_x,vp_y,vp_z)，按图形水印嵌入步骤（3.4）——（3.8）进行三 维网格数据图形水印特征点检测；

（4.6）、对求得的水印特征点参数t进行分类统计，当0≤t≤d或1-d ≤t≤1时(d为水印特征点检测阈值)，此特征点为嵌入的水印特征点， 水印特征点计数器S_水印++；除此外，都是非嵌入的水印特征点，噪声 特征点计数器S_噪声++，直到全部虚拟网格切面组的水印特征点检测完 毕；

（4.7）、计算值，如果则认为本三维网 格数据存在虚拟网格图形水印标识；

（4.8）、根据检测到的S_水印图形水印特征点，在三维网格数据中 标识，并用图形的形式表示出虚拟网格图形切面V_i（v_x,v_y,v_z），其中i （0≤i≤n）。

本发明技术核心思想是根据三维网格数据的组织特点，提出了一 种基于虚拟网格切面图形水印的三维网格数据保护方法。主要解决了 目前三维网格水印依靠对空间点坐标的调整实现水印嵌入的目标，一 定程序上影响了三维模型的精度；本发明的方法是通过设计一个特定 的虚拟图形切面组作为图形水印标识，嵌入到三维网格数据中，实现 了小容量嵌入数据表示大容量水印问题，提高算法的鲁棒性，减少了 精度误差；同时图形指纹检测方法简单有效，是一种全新的三维网格 数据保护方法。

本发明的有益效果主要表现在：1、能有效提高水印的嵌入效率与 速度；2、鲁棒性强，精度误差可控；3可以事先控制未经授权的使用 数字产品的行为。

附图说明

图1为虚拟网格图形水印嵌入方法的流程图

图2为具有标识意义的虚拟网格切面水印标识示意图。

图3-图6为三角形平面与虚拟网格切面相交的各种情况示意图。

图7为虚拟网格切面水印特征点的嵌入与检测方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图2——图7，是一种基于虚拟图形水印的三维网格数据保护 方法，所述虚拟图形水印的三维网格数据保护方法包括以下步骤：

（1）、图2是设计一个具有标识意义的虚拟数字水印图形标识

（1.1）、确定一个基于三维网格数据包围盒的网格切面基准方向， 其主要的标识特征为虚拟网格切面方向矢量V（v_x,v_y,v_z）；

（1.2）、定义基于一组图形水印信息嵌入虚拟网格切面V_i（v_x,v_y,v_z）;

（1.3）、以三维网格质心为基准，确定的起始位置与虚拟网格切 面的间距λ（0≤λ）或λ_i（0≤λ_i，0≤i≤n）;

（1.4）、针对虚拟网格切面方向矢量V（v_x,v_y,v_z）和间距λ这二个 变量，设计具有标识意义的特定数字图形指纹编码；

（1.5）、此虚拟网格切面覆盖三维网格数字全图，也可以n组虚拟 网格切面(方向矢量V_i（0≤i≤n）重叠覆盖，随着n的增大，图形指纹 的鲁棒性越强;

（1.6）、为防止剪切，需要设计一个合适的网格切面间距λ（0≤ λ）；

（2）、图3——图6是虚拟网格切面图形水印特征点的嵌入策略设 计

虚拟网格切面图形水印特征点的嵌入设计关系到水印算法的鲁棒 性，拟采用如下特征点嵌入策略：

（2.1）、当网格切面与空间线段相交，且交点与线段的端点重合 时，那么就不需要做任何的处理，直接使用端点；

（2.2）、当网格切面与空间线段相交，但交点与端点非常接近（小 于一个限定的误差值d）时，如图三所示，那么就删除原来最近的端点， 以新的交点代替端点；

（3）、图7是三维网格数据虚拟图形水印的嵌入方法的示意图

对三维网格数据中的每个三角形面片与虚拟网格切面求解虚拟网 格图形水印特征点，并依据三维网格数据构建的边——三角形面片的 拓扑关系，依次搜索与虚拟网格切面存在图形水印特征点的三角形面 片,对存在的相关图形水印特征点，根据算法思想的特征点嵌入策略， 把相关图形水印特征点插入到三维网格数据中，并局部重组三角形面 片，具体方法步骤如下：

（3.1）、根据三维网格数据先生成网格数据包围盒作为水虚拟图 形水印嵌入的基准方向；

（3.2）、根据三维网格数据计算三维网格模型的质心坐标，为虚 拟图形水印嵌入的起始定位坐标；

（3.3）、为减少三角形面片的搜索量，提高算法效率，对三维网 格图形数据，构建边——三角形面片的拓扑关系；

（3.4）、若三角形面片不与平面平行，将存在交点。对三角形的 三条边分别进行求交计算，只要平面不与三角形顶点相交，则其中必 定与两条边有交点，此交点即是定义中的嵌入水印特征点；

（3.5）、已知三角形一边的直线L过点m（x_m，y_m，z_m），且方向 向量为n（x_n，y_n，z_n），平面P过点p（x_p，y_p，z_p），且法线方向向量为 V_p（vp_x，vp_y，vp_z），求得直线与平面的交点O的坐标(x_o,y_o,z_o)。

（3.6）、将直线方程写成参数方程形式，即有：

（3.7）、将平面方程写成点法式方程形式，即有：

vp₁*(x-x_p)+vp₂*(y-y_p)vp₃*(z-z_p)=0           （2）

（3.8）、则直线与平面的交点一定满足式（1）和（2），联立两式， 求得：

$t=\frac{((x_p-x_m)*{\mathrm{vp}}_x+(y_p-y_m)*{\mathrm{vp}}_y+(z_p-z_m)*{\mathrm{vp}}_z)}{({\mathrm{vp}}_x*(x_n-x_m)+{\mathrm{vp}}_y*(y_n-y_m)+{\mathrm{vp}}_z*(z_n-z_m))}---\left(3\right)$

（3.9）、如果（3）式中分母(vp_x*(x_n-x_m)+vp_y*(y_n-y_m)+vp_z*(z_n-z_m)) 为0，则表示直线与平面平行，即直线与平面没有交点；

（3.10）、当0≤t≤1时，三角形面片的边线段与虚拟网格切面有交 点；代入（1）式，求得交点O坐标(x_o,y_o,z_o)；

（3.11）、针对图形水印特征点，根据特征点嵌入策略进行处理；

（3.12）、按照三维网格数据的边——三角形面片的拓扑关系，搜 索下一个三角形面片，重复（3.4）——（3.11）进行水印特征点嵌入 处理；

（4）、图7同样也是三维网格数据虚拟图形水印的检测方法示意图

三维网格数据虚拟图形水印的检测方法是三维网格数据虚拟图形 水印嵌入算法的逆过程，具体的方法步骤如下：

（4.1）、根据三维网格数据先生成网格数据包围盒作为水虚拟图 形水印检测的基准方向；

（4.2）、根据三维网格数据计算三维网格模型的质心坐标，为虚 拟图形水印检测确定起始定位坐标；

（4.3）、为减少三角形面片的搜索量，提高算法效率，对三维网 格图形数据，构建边——三角形面片的拓扑关系；

（4.4）、根据（1）中定义的具有标识意义的虚拟数字水印图形标 识参数（可以程序内置，也可以由配置文件配置)；

（4.5）、根据虚拟网格切面组V_i（v_x,v_y,v_z），以及三维网格数据质 心坐标P(vp_x,vp_y,vp_z)，按图形水印嵌入步骤（3.4）——（3.8）进行三 维网格数据图形水印特征点检测；

（4.6）、对求得的水印特征点参数t进行分类统计，当0≤t≤d或1-d ≤t≤1时(d为水印特征点检测阈值)，此特征点为嵌入的水印特征点， 水印特征点计数器S_水印++；除此外，都是非嵌入的水印特征点，噪声 特征点计数器S_噪声++，直到全部虚拟网格切面组的水印特征点检测完 毕；

（4.7）、计算值，如果则认为本三维网 格数据存在虚拟网格图形水印标识；

（4.8）、根据检测到的S_水印图形水印特征点，在三维网格数据中 标识，并用图形的形式表示出虚拟网格图形切面V_i（v_x,v_y,v_z），其中i （0≤i≤n）。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举， 本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本 发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的 等同技术手段。