专利名称：一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印装置及方法，具体涉及数字水印技术，属于三维网格模型图形处理领域。
背景技术：
数字水印是一种解决二维图像、音频、视频和三维模型版权保护和验证的行之有效的手段。然而随着水印的嵌入，这些数字产品的内容不可避免的会发生永久性的改变，即使引起的变化对人类视觉系统来说是不可感知的。但是，对于具有高精度要求的应用(比如医疗诊断、法庭证据和艺术品保存等)来说，任何改变都是不可接受的，因此在水印提取出来之后，这些数字产品必须恢复到原始状态。相应的，解决此类问题的能够完全无损的将嵌入水印后的数字媒体恢复到原始状态的可逆水印技术便应运而生。最近几年的可逆水印技术的研究大多通过无损压缩，差值扩展和直方图变换等技术集中在二维图像、音频和视频上。然而由于三维模型的拓扑结构的复杂性和不规则性，直到目前能够正确、简洁和高效的将嵌入水印后的模型转换回原始模型的三维可逆数字水印方法还非常少。德国研究人员Dittmarm和Benedens [1]基于公钥数字签名机制，提出了第一个针对三维模型的可逆水印方法，该方法引入了无损恢复的概念，通过将额外的面和顶点添加到原始模型中实现水印嵌入，在提取时，通过密钥将嵌入过程中添加的面和顶点去掉实现无损恢复。但该方法的不可见性较差，而且还在原始模型的数据量基础上增加了额外的负担。哈尔滨工业大学研究生分院的Lu和Li [2]通过使用PVQ技术，提出了一个不完全的可逆水印方法，虽然恢复出来的压缩数据与原始模型的压缩数据相同，但由于PVQ技术本身是有损压缩，所以恢复出来的模型跟原始模型略有差别。法国的mi和Dugelay [3] 通过改进的差值扩展技术，提出了具有大容量但是低不可见性的三维可逆数字水印方法。 由于其不可见性较差，该方法在对不可见性要求较高的应用中并不适用。相关的技术文献有以下三篇[l]Dittmann，J.，Benedens，0. Invertible authentication for 3D meshes. In !Proceedings of SPIE，Security and Watermarking of Multi-media Contents V， 5020,653-664(2003)；[2]Lu, Ζ. Μ.，Li，Ζ. :High capacity reversible data hiding for 3D meshes in the PVQ domain. In-Proceedings of the 6th International Workshop on Digital Watermarking，593-596(2007)；[3]Wu, H. Τ.，Dugelay, J. L !Reversible watermarking of 3D mesh models by prediction-error expansion. In :10th IEEE Workshop on Multimedia Signal Processing,797-802(2008)。
发明内容
为实现上述目的，本发明釆用如下技术方案
一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，该方法包括水印嵌入和水印提取两部分，其中水印嵌入部分包括计算原始模型中相似变换不变量的比值，将所有比值映射到整数区间；利用直方图变换，将给定的水印信息嵌入到原始模型中；水印提取部分包括计算嵌入水印后的模型中相似变换不变量的比值，将所有比值映射到整数区间；利用直方图反变换，提取出水印信息提取，并将原始模型恢复出来。所述水印嵌入的步骤如下Stepl 对输入三维模型的每个顶点，计算与它相关联的相似变换不变量的比值；Step2 将得到的所有比值映射到整数区间；St印3 将整数区间内的整数生成直方图H ；Mep4:利用直方图变换，将给定的水印信息嵌入到原始三维模型中。所述st印4的直方图变换步骤如下a.从直方图H中找到最大值hmax和最小值hmin，同时得到hmax，hmin分别对应的整数 χ 禾口 y ；b.如果乂>7则将区间[y+l，x-l]内的直方图单元向右移动一个单位，反之将区间[x+1，y-Ι]内的直方图单元向右移动一个单位，同时相对应的相似变换不变量比值也增加一个直方图单位宽度0. 5/G ；c.将变换后的映射到X的不变量比值与给定的水印信息进行相应处理后，得到嵌入水印信息的直方图；d.根据嵌入水印信息的直方图求得嵌入水印后的模型。所述步骤c的处理过程如下水印信息为由0，1组成的比特序列，如果比特序列的第ith个比特为“1”，则将第ith不变量比值的映射值由“X”变为“X+1”，如果第ith个比特为 “0”，则相应的不变量比值的映射值仍为“X”。所述水印提取的步骤如下Stepl 对嵌入水印后的三维模型的每个顶点，计算与它相关联的相似变换不变量的比值；St印2 将所有比值映射到整数区间；乂印3 将整数区间内的整数生成直方图H'；利用直方图反变换，将给定的水印信息提取出来并将原始三维模型恢复出来。所述st印4的直方图反变换步骤如下A.按照输入三维模型顶点顺序，扫描相似变换不变量比值映射在直方图H'上的整数，如果扫描到“x+1”，则提取水印比特“1”，同时相对应的不变量比值减少0. 5/G ；如果扫描到比值“X”，则提取水印比特“0”，比值不作任何修改；扫描完毕之后，嵌入模型中的水印信息被完全提取出来了；B.再次扫描相似变换不变量比值映射在直方图H'上的整数，如果χ < y将在区间[x+2，y]的直方图单元向左移动一个单位，如果乂>7将在区间[y+2，x]的直方图单元左移一个单位；同时相对应的相似变换不变量比值也减少一个直方图单位宽度0. 5/G;扫描完毕之后，得到原始模型的直方图信息；C.根据直方图信息求得原始模型。
一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印装置，包括水印嵌入装置和水印提取装置两部分，所述水印嵌入装置包括选择原始模型单元，计算比值集合单元，映射单元，直方图变换单元，水印嵌入单元；所述水印提取装置包括选择模型单元，计算比值集合单元，映射单元，直方图变换单元，水印提取单元，原始模型恢复单元。所述水印嵌入装置中选择原始模型单元选取将要嵌入水印信息的原始三维模型；计算比值集合单元对原模型上每一个顶点计算其邻居节点，构造投影共面四点组，计算相似变换不变量比值并将其加入比值集合Ω中；映射单元将Ω中的相似变换不变量比值通过函数映射到整数区间G中；直方图变换单元首先生成关于整数g的分布的直方图H ；然后将在区间[x+1， y-Ι]或[y+l，x_l]部分的直方图单元向右移动一个单位，同时相对应的相似变换不变量比值也增加一个直方图单位宽度0. 5/G ；水印嵌入单元直方图变换策略完毕后，水印信息相应的嵌入到了三维模型中，形成了含水印信息的三维模型。所述水印提取装置中选择模型单元选取将要提取水印信息和恢复原始状态的三维模型。计算比值集合单元对原模型上每一个顶点计算其邻居节点，构造投影共面四点组，计算相似变换不变量比值并将其加入Ω中；映射单元将Ω中的相似变换不变量比值通过函数映射到整数区间G中；直方图变换单元首先生成关于整数g的分布的直方图H’ ；然后将在区间[x+2， y]或[y+2，x]部分的直方图单元向左移动一个单位，同时相对应的相似变换不变量比值也减少一个直方图单位宽度0. 5/G ；水印提取单元在直方图变换策略中，第一次直方图变换时将水印信息从三维模型中提取出来了；原始模型恢复单元第二次变换是将输入模型恢复到了原始三维模型。本发明的有益效果本发明提出了一个新的三维模型的可逆水印方法装置及方法，通过改进的直方图变换方法，在任意拓扑结构的三维模型中有效地嵌入/提取水印。 本方法对相似变换具有完全的鲁棒性，高度可调的嵌入容量和水印不可见性以及低计算复杂度(O(V))，这些优点使得本算法具有广泛的应用包括三维模型的版权鉴定和无损恢复。
图1投影平面内的对角线交比经过任意的相似变换后保持不变；图2四点组{a，b，c, d}的四种投影情况；图3a根据原始三维模型生成的直方图，包含最大点和最小点；图北在直方图移动前，最大点χ和最小点y之间的直方图单元；图3c χ和y之间的单元都加一个直方图单元；图3d嵌入水印后的三维模型的直方图，此时χ和y已不是最大点和最小点；图如 /是四点组{a，b，c, d}的投影共面凸四边形；图4b当T1 = ao/ac并且它的值增加0. 5/G时，将a沿着ac方向向外移动；
图如当并且它的值增加0.5/G时，将b和f沿着&的方向向外移动；图Table-cloth原始模型，模型中包含5218个顶点，10118个面；图5b Fandisk原始模型，模型中包含6475个顶点，12946个面；图5c Bunny原始模型，模型中包含35947个顶点，69451个面；图5d Face原始模型，模型中包含31762个顶点，6M67个面；图k Maple-tree原始模型；妨499个顶点，4；3530个面；图6al-3Fandisk，Bunny和Maple-tree模型的嵌入容量C和G的关系曲线。图6bl_3Fandisk，Bunny和Maple-tree模型的嵌入容量不可见性SNR和G的关系曲线；图 6cl_3 当与模型 Fandisk，Bunny, Maple-tree 相对应的 G 分别为 40，20 和 70 的时候，模型的直方图；图7应用本发明嵌入水印后的模型与原始模型的视觉对比(G = 20，SNR = 58. 44)；图fe原始模型；图8b嵌入水印后的模型；图9水印图像G2在嵌入该水印后的模型经过任意相似变换后可以完全提取出来；图10本发明的水印嵌入流程图；图11本发明的水印提取流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明我们将本发明应用在三维网格模型水印处理系统中。在本文中，基于直方图变换技术，我们提出了一个嵌入容量和不可见性高度可调的三维模型可逆数字水印方法。首先， 针对输入三维模型的每个顶点，我们计算与它相关联的相似变换不变量比值；然后，我们将这些比值映射到一个整数区间以此来生成直方图，通过恰当的直方图变换机制，我们将水印嵌入到三维模型中，与此同时，调整水印信息嵌入的顶点的坐标位置。通过控制整数区间范围来调整直方图，我们可以非常灵活的调节算法的水印嵌入容量和不可见性大小。在具有低计算复杂度的前提下，我们的方法在提取过程中可以完全地将嵌入水印后的模型恢复到原始模型，而且提取的水印信息还可以用作版权验证。一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，其方法包括水印嵌入流程和水印提取流程。I.水印嵌入流程如图10所示，步骤如下1)计算输入三维模型的相似变换不变量的比值集合；2)将比值集合映射到整数区间；3)对整数区间内的整数生成的直方图进行直方图变换策略，将水印信息嵌入到三维模型中。II.水印提取流程如图11所示，步骤如下1)计算输入嵌入水印后的三维模型的相似变换不变量的比值集合；
2)将比值集合映射到整数区间；3)将水印信息从三维模型中提取出来，然后，对整数区间内的整数生成的直方图进行直方图变换策略将原始三维模型恢复出来。所述步骤I. 1)中计算输入三维模型的相似变换不变量的比值集合的过程为A.相似变换不变量比值的定义如附图1所示，设a，b，c, d为三维空间中的任意四点，Z7为从a到平面Abcd的投影点，直线况和bd的交点记为ο (图1. a)。记T1为而和5c的比值，r2为bo/bd。那么巧和巧的值在任意的相似变换情况下保持不变。假定a'，b' ,c'，d'和7为a，b，c，d， 歹经任意相似变换后相对应的三维空间内五点(图l.b)，记< = aV/^V，r' 2 = b' ο' / b' d'。那么，万为a'到平面Ab' c' d'的投影点，并且巧=!·' ,r2 = r' 2。B.三维模型中构造相似变换不变量比值的集合在此讨论的三维网格模型包含有一组顶点集合V和一组边集合E。设Vi表示V中第ith个顶点。定义顶点Vi的一阶邻域为=包含顶点在输入的三维模型中的顶点序号。在我们的水印方法中，我们将应用上文提到的相似变换不变量对三维网格模型进行水印加密。给定N(Vi)，设Iii (Vi)包含的顶点数目，则其所有的四点组合数为 <，如果ni <4，则N(Vi)内不存在四点组。对于N(Vi)中的任意一个四点组{a，b，c，d}，有四种投影情况如附图2所示，分别为伊,6,C,t/},{α,F,C, /}，{α,δ,乙 /}和{α,c·, J}，其中厂,F,孑分别为点 a，b，c，d 到对应
平面Abcd，Aacd, Aabd和Aabc。对于三维模型中的每一个顶点，我们生成所有这些投影四边形，然后选择第一个凸四边形作为构造相似变换不变量的候选四点组。对于三维模型中的每个顶点Vi，我们通过上述方法构造T1和r2并将它们加入到比值集合Ω中。为了在水印的嵌入和提取过程中清楚的区别！^和巧，我们使得巧和巧满足如下关系式0. 5 ^ r1 r2 < 1 (1)注意，为了确保比值构造的相互独立性，对于在之前的比值构造过程中已经用过的顶点并且它们也在Vi的一阶邻域N(Vi)中，则对这些顶点不予考虑。所述步骤I. 2)中将比值集合映射到整数区间的方法为给定含有浮点数的比值集合Ω，我们将这些比值映射到整数区间(1，G]，其中G为可调参数，范围在[10，999]之间，与我们的水印方法的嵌入容量和水印不可见性有关。映射函数给定如下
权利要求
1.一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，其特征是，该方法包括水印嵌入和水印提取两部分，其中水印嵌入部分包括计算原始模型中相似变换不变量的比值，将所有比值映射到整数区间；利用直方图变换，将给定的水印信息嵌入到原始模型中；水印提取部分包括计算嵌入水印后的模型中相似变换不变量的比值，将所有比值映射到整数区间；利用直方图反变换，提取出水印信息提取，并将原始模型恢复出来。
2.如权利要求1所述的一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，其特征是，所述水印嵌入的步骤如下Stepl 对输入三维模型的每个顶点，计算与它相关联的相似变换不变量的比值；Step2 将得到的所有比值映射到整数区间；Step3 将整数区间内的整数生成直方图H;St印4 利用直方图变换，将给定的水印信息嵌入到原始三维模型中。
3.如权利要求2所述的一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，其特征是，所述step4的直方图变换步骤如下a.从直方图H中找到最大值hmax和最小值hmin，同时得到hmax，hmin分别对应的整数χ和y ；b.如果x>y则将区间[y+Ι，χ-l]内的直方图单元向右移动一个单位，反之将区间 [x+1，y-Ι]内的直方图单元向右移动一个单位，同时相对应的相似变换不变量比值也增加一个直方图单位宽度0. 5/G；C.将变换后的映射到X的不变量比值与给定的水印信息进行相应处理后，得到嵌入水印信息的直方图；d.根据嵌入水印信息的直方图求得嵌入水印后的模型。
4.如权利要求3所述的一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，其特征是，所述步骤c的处理过程如下水印信息为由0，1组成的比特序列，如果比特序列的第ith个比特为“ 1 ”，则将第ith不变量比值的映射值由“χ”变为“x+1 ”，如果第ith个比特为“0”，则相应的不变量比值的映射值仍为“X”。
5.如权利要求1所述的一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，其特征是，所述水印提取的步骤如下Stepl 对嵌入水印后的三维模型的每个顶点，计算与它相关联的相似变换不变量的比值；St印2 将所有比值映射到整数区间； 乂印3:将整数区间内的整数生成直方图H'；利用直方图反变换，将给定的水印信息提取出来并将原始三维模型恢复出来。
6.如权利要求5所述的一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印方法，其特征是，所述step4的直方图反变换步骤如下A.按照输入三维模型顶点顺序，扫描相似变换不变量比值映射在直方图H'上的整数，如果扫描到“x+1”，则提取水印比特“1”，同时相对应的不变量比值减少0. 5/G ；如果扫描到比值“X”，则提取水印比特“0”，比值不作任何修改；扫描完毕之后，嵌入模型中的水印信息被完全提取出来了；B.再次扫描相似变换不变量比值映射在直方图H'上的整数，如果x<y将在区间 [x+2，y]的直方图单元向左移动一个单位，如果χ > y将在区间[y+2，χ]的直方图单元左移一个单位；同时相对应的相似变换不变量比值也减少一个直方图单位宽度0. 5/G ；扫描完毕之后，得到原始模型的直方图信息；C.根据直方图信息求得原始模型。
7.一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印装置，包括水印嵌入装置和水印提取装置两部分，其特征在于，所述水印嵌入装置包括选择原始模型单元，计算比值集合单元，映射单元，直方图变换单元，水印嵌入单元；所述水印提取装置包括选择模型单元，计算比值集合单元，映射单元，直方图变换单元，水印提取单元，原始模型恢复单元。
8.如权利要求7所述的一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印装置，其特征是，所述水印嵌入装置中选择原始模型单元选取将要嵌入水印信息的原始三维模型； 计算比值集合单元对原模型上每一个顶点计算其邻居节点，构造投影共面四点组，计算相似变换不变量比值并将其加入比值集合Ω中；映射单元将Ω中的相似变换不变量比值通过函数映射到整数区间G中； 直方图变换单元首先生成关于整数g的分布的直方图H;然后将在区间[x+l，y_l]或 [y+1，x-1]部分的直方图单元向右移动一个单位，同时相对应的相似变换不变量比值也增加一个直方图单位宽度0. 5/G ；水印嵌入单元直方图变换策略完毕后，水印信息相应的嵌入到了三维模型中，形成了含水印信息的三维模型。
9.如权利要求7所述的一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印装置，其特征是，所述水印提取装置中选择模型单元选取将要提取水印信息和恢复原始状态的三维模型。 计算比值集合单元对原模型上每一个顶点计算其邻居节点，构造投影共面四点组，计算相似变换不变量比值并将其加入Ω中；映射单元将Ω中的相似变换不变量比值通过函数映射到整数区间G中； 直方图变换单元首先生成关于整数g的分布的直方图H'；然后将在区间[x+2，y]或 [y+2, χ]部分的直方图单元向左移动一个单位，同时相对应的相似变换不变量比值也减少一个直方图单位宽度0. 5/G；水印提取单元在直方图变换策略中，第一次直方图变换时将水印信息从三维模型中提取出来了；原始模型恢复单元第二次变换是将输入模型恢复到了原始三维模型。
全文摘要
本发明公开了一种对相似变换鲁棒的三维模型可逆水印装置及方法，所采用的方法包括水印嵌入和水印提取两部分。首先针对输入三维模型的每个顶点，计算与它关联的相似变换不变量比值；然后将这些比值映射到一个整数区间以此来生成直方图；经过直方图变换后，将水印嵌入到三维模型中，与此同时，调整水印信息嵌入到顶点的坐标位置。通过控制整数区间范围来调整直方图，我们可以非常灵活的调节算法的水印嵌入容量和不可见性大小。在具有低计算复杂度的前提下，我们的方法在提取过程中可以完全地将嵌入水印后的模型恢复到原始模型，而且提取的水印信息还可以用作版权验证。
文档编号G06T1/00GK102339456SQ20101023307
公开日2012年2月1日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者张彩明, 高希峰, 黄艳 申请人:山东大学