一种基于数字指纹技术的三维模型版权保护方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于数字指纹技术的三维模型版权保护方法。以三维网格模型的重心为原点建立球面坐标系得到每个顶点的球面坐标，对球面坐标的经纬角数据聚类，得到三维网格模型分块特征矩阵；将该分块特征矩阵进行离散小波变换得到低频系数，对低频系数作奇异值分解，同时对指纹信息做数字全息变换后置乱，并将置乱的信息进行奇异值分解，将得到的奇异值加性嵌入到分块特征矩阵的奇异值上，作相应的逆变换得到含指纹信息的分块特征矩阵；计算各块内顶点半径平均值的偏差，调整各个顶点的半径，得到含有指纹信息的三维网格模型。本方法克服了三维模型数字指纹嵌入的鲁棒性与不可见性之间的矛盾，并实现对非法盗版源的有效追踪。
【专利说明】一种基于数字指纹技术的三维模型版权保护方法
【技术领域】
[0001]本发明属于三维数据版权保护【技术领域】，更具体地，涉及一种基于数字指纹技术的三维模型版权保护方法。
【背景技术】
[0002]随着开放互联网络的兴起，文本、图像、音频、视频、三维模型等媒体数据在网上能够更加便捷地交换和传播，随之引起了各种有意或无意的复制、修改等数字作品的侵权行为。随着CAD三维仿真等相关领域的迅速发展，三维数字模型将越来越多，在因特网上提供与销售的三维模型也将层出不穷，三维模型的版权合法拥有者正面临着诸多的盗版问题，此外，3D打印技术的兴起也将使得三维数字模型的版权保护更显迫切。为了防止版权合法拥有者的三维模型作品被非法盗用，迫切需要利用信息安全等技术武器实现对三维模型的数字版权的有效保护。
[0003]数字水印技术和数字指纹技术是近几年发展起来的新型数字版权保护技术。数字水印是向数字产品中嵌入版权拥有者的一些信息，当发生争议时能够有效确认出版权归属，对相同的作品嵌入的水印信息是相同的。而数字指纹是在原产品中嵌入与用户有关的信息，产品提供者(也称发行商)能够根据该信息对非法用户进行跟踪，嵌入的内容对不同购买者是不同的。数字指纹技术具有广泛的应用环境和广阔的应用前景。
[0004]三维模型具有以下特点:1)三维模型元素的不规则性。三维模型的顶点排列不像二维矩阵具有规则性，三维模型中的顶点和面片的排列顺序比较容易发生改变，它们不能类似音频或视频根据时间来进行排列，三维模型的顶点和面都没有一个相对固定的排序方式；2)对三维模型的攻击方法更多样。除了二维图像的平移、缩放、剪切等仿射变换攻击，以及剪切、噪声攻击等，还会受到根据三维模型自身特点的顶点重新排序、网格简化等攻击。3)三维模型的表示方法不唯一。三维模型在不同的格式下的格式转换容易引起模型属性的丢失。4)三维模型无明确的采样率。三维模型中的数据有其自身的特点，缺乏自然的参数化分解的方法，不像二维图像那样可以方便地使用离散余弦变换、离散小波变换等工具。
[0005]在三维模型数字水印算法方面的研究上，最为经典的是三角形相似四元组(Triangle Similarity Quadruple, TSQ)算法和四面体体积比(Tetrahedral VolumeRatio, TVR)算法，但均存在鲁棒性能不高的问题。目前，人们对数字指纹技术的研究主要集中在图像、视频和声音等多媒体信息的版权保护上，对三维模型的数字指纹技术方面的研究基本空白。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于数字指纹技术的三维模型版权保护方法，有效解决了目前三维模型数字水印算法鲁棒性能普遍不高的问题，能够抵抗数字指纹的线性和非线性合谋攻击，还能抵抗网格平滑、顶点重排列、量化、加躁、剪切、仿射变换等各种鲁棒性攻击，且具有良好的不可见性，克服了三维模型数字指纹嵌入的鲁棒性与不可见性之间的矛盾，实现了对非法盗版源的有效追踪。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种三维模型版权保护方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0008](I)将三维网格模型的几何重心移到笛卡尔坐标系的原点，建立球面坐标系，计算各个顶点的半径A, r2，…，!Ti,…，rN、经度角Q1, Θ 2，…，Θ i；..., ΘΝ、讳度角(J)1, φ2，...，..., ΦΝ和高斯曲率P1, P2，…，Pi,-, Pn，其中，N为顶点总数，i为不大于N的正整数；
[0009](2)根据待嵌入的数字指纹信息的长度n，确定聚类的分类数C，使得4n，利用三维网格模型各个顶点的经度角Q1, Θ 2> *** > 9 I, *.., %和讳度角Φ?，Φ2> *** > Φ i, *.., ΦΝ形成经纬坐标，构成经纬角数据集合U= {(θ^ (θ2, φ2),..., (θ,, φ,),..., (ΘΝ,ΦΝ) }，根据聚类分析方法将经纬角数据集合U分为C类，得到三维网格模型对应的C个分块的集合V = IV1, V2,...，Vk,...，V。}，其中，k为不大于C的正整数；
[0010](3)计算 每个分块内顶点半径的平均值rl5r2,…,?,...，/；和方差O1, σ 2，…
，Ok,..., σ。，选取方差较大的前4η个分块的顶点半径的平均值，以任一方式排列构成原始分块特征矩阵R1 ；
[0011](4)对原始分块特征矩阵R1作二维离散小波变换得到低频系数，并对低频系数作奇异值分解，得到原始分块特征矩阵R1的奇异值S1 ;对用户的数字指纹信息作数字全息变换并对变换结果置乱，将置乱的信息作奇异值分解，得到数字指纹信息的奇异值S2 ；
[0012](5)将数字指纹信息的奇异值S2以加性嵌入的方法嵌入到原始分块特征矩阵R1的奇异值S1I，得到新的奇异值S3 = S1+α.S2，其中，α为嵌入强度，将新的奇异值S3分别作上述奇异值分解及离散小波变换的相应逆变换，得到含数字指纹信息的分块特征矩阵R2 ；
[0013](6)由含数字指纹信息的分块特征矩阵R2和原始分块特征矩阵R1计算得到方差较大的前4η个分块内顶点半径的平均值的偏差Ar1, Ar2,..., Arj,..., Ar4n,进一步利用顶点半径的方差O1, σ2，...，σ k,..., σ。和每个顶点的高斯曲率p P 2)..., P”...，Pn，调整各分块内各个顶点的半径；
[0014](7)根据调整后的各顶点的半径得到相应顶点的坐标值，从而得到含有数字指纹信息的三维网格模型；
[0015](8)从待检测的盗版三维网格模型中提取数字指纹信息，计算提取出的数字指纹与分发给各个用户的数字指纹之间的相关度R，然后根据相关度R比较判断待检测的盗版三维网络模型的非法盗版源。
[0016]优选地，所述步骤(6)中，各分块内各个顶点的半径的调整方法具体为:对于第i个顶点，如果其位于所述步骤(3)选取的方差较大的前4n个分块内，且其所在分块的顶点半径的平均值的偏差为则调整后的该顶点的半径r/ = ri+f3其中，ri为该顶点的原始半径，β i为该顶点的半径调整比例因子；如果其不位于所述步骤(3)选取的方差较大的前4n个分块内，则不对该顶点的半径作任何调整。
[0017]优选地，第i个顶点的半径调整比例因子β i为:
【权利要求】
1.一种三维模型版权保护方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将三维网格模型的几何重心移到笛卡尔坐标系的原点，建立球面坐标系，计算各个顶点的半径r” r2,…，!Ti,…，rN、经度角Θ ” θ2，…，Qi，…，ΘΝ、讳度角φ”φ2，…，Φ i；...，ΦΝ和高斯曲率P1, P 2,…，P i,…，P N，其中，N为顶点总数，i为不大于N的正整数； (2)根据待嵌入的数字指纹信息的长度n，确定聚类的分类数C，使得c^ 4n，利用三维网格模型各个顶点的经度角Q1, 0 2> **.? 9 I,..., %和讳度角(J)1, Φ2，...，Φ i,..., ΦΝ形成经纬坐标，构成经纬角数据集合 U= {( Θ 1； (J)1), ( Θ 2，φ2),...，( Θ J, (J)i),...，( θ Ν, ΦΝ)}，根据聚类分析方法将经纬角数据集合U分为c类，得到三维网格模型对应的c个分块的集合V= IV1, V2，...，Vk，...，V。}，其中，k为不大于C的正整数； (3)计算每个分块内顶点半径的平均值/i，r2,..ik 、rc和方差O1, ο 2)..., ok,…，σ。，选取方差较大的前4n个分块的顶点半径的平均值，以任一方式排列构成原始分块特征矩阵R1 ； (4)对原始分块特征矩阵R1作二维离散小波变换得到低频系数，并对低频系数作奇异值分解，得到原始分块特征矩阵R1的奇异值S1 ;对用户的数字指纹信息作数字全息变换并对变换结果置乱，将置乱的信息作奇异值分解，得到数字指纹信息的奇异值S2 ； (5)将数字指纹信息的奇异值S2以加性嵌入的方法嵌入到原始分块特征矩阵R1的奇异值S1I，得到新的奇异值S3 = SJd.S2，其中，α为嵌入强度，将新的奇异值S3分别作上述奇异值分解及离散小波变换的相应逆变换，得到含数字指纹信息的分块特征矩阵R2 ; (6)由含数字指纹信息的分块特征矩阵R2和原始分块特征矩阵R1计算得到方差较大的前4η个分块内顶点半径的平均值的偏差Ar1, Ar2,..., Arj,..., Δr4n,进一步利用顶点半径的方差O1, σ2,…，σ k,…，σ。和每个顶点的高斯曲率P1, P2,…，P i,…，P N,调整各分块内各个顶点的半径； (7)根据调整后的各顶点的半径得到相应顶点的坐标值，从而得到含有数字指纹信息的三维网格模型； (8)从待检测的盗版三维网格模型中提取数字指纹信息，计算提取出的数字指纹与分发给各个用户的数字指纹之间的相关度R，然后根据相关度R比较判断待检测的盗版三维网络模型的非法盗版源。
2.如权利要求1所述的三维模型版权保护方法，其特征在于，所述步骤(6)中，各分块内各个顶点的半径的调整方法具体为:对于第i个顶点，如果其位于所述步骤(3)选取的方差较大的前4n个分块内，且其所在分块的顶点半径的平均值的偏差为AhJlJ调整后的该顶点的半径r/ =1^+1.其中，巧为该顶点的原始半径，1为该顶点的半径调整比例因子；如果其不位于所述步骤(3)选取的方差较大的前4η个分块内，则不对该顶点的半径作任何调整。
3.如权利要求2所述的三维模型版权保护方法，其特征在于，第i个顶点的半径调整比例因子β i为:
4.如权利要求2或3中任一项所述的三维模型版权保护方法，其特征在于，所述步骤(8)进一步包括如下步骤: (8-1)将待检测的盗版三维网格模型的几何重心移到笛卡尔坐标系的原点，计算出各个顶点的半径值、经度角、纬度角和高斯曲率； (8-2)根据数字指纹信息的长度n，依据嵌入指纹时同样的聚类分析方法将待检测的盗版三维网格模型分为c块，选取方差较大的前4n个分块的顶点半径的平均值，以与构成原始分块特征矩阵R1相同的方式排列，构成分块特征矩阵< ; (8-3)计算该分块特征矩阵尤的第j个元素f与原始分块特征矩阵R1的第j个
兀素一的偏差
5.如权利要求4所述的三维模型版权保护方法，其特征在于，所述步骤(8-7)具体为:将相关度最大的用户判断为非法盗版源之一，或者将在相关度值的特征统计检验中，不符合检验显著性水平95%的相关度值中最大的2~3个对应的用户判断为非法合谋盗版源。
6.如权利要求1至5中任一项所述的三维模型版权保护方法，其特征在于，所述嵌入强度 α 为:0.01 < α < 0.5。
【文档编号】G06F21/16GK103971035SQ201410192377
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】王祖喜, 胡汉平, 毛刘刚, 陈永强 申请人:华中科技大学