一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法

本发明属于地理空间数据安全领域，涉及一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法。

背景技术：

1、随着“数字城市”和“智慧城市”的兴起，三维数据因其能够直观和形象地展示空间地物，在无人驾驶、智慧交通、城市规划等领域被广泛应用。三维点云数据作为三维数据中重要的一种数据形式，被普遍用于地理三维建模和场景分析中。随着激光扫描和倾斜摄影等技术的不断发展，三维点云数据的采集和处理变得更加方便快捷，由此产生了大量的三维点云数据，这些数据普遍具有严格的商业性和保密性。但随着计算机技术、网络技术的快速发展以及点云数据格式和发布方式的公开，点云数据的共享变得越来越方便，这使得数据量较大的点云数据更加容易复制和传输，同时也导致三维点云数据的泄露、盗用和非法传播更加难以控制。点云数据的泄露不仅会严重损害数据版权拥有者的权益，甚至可能对国家安全和国防安全造成严重威胁。因此三维点云数据版权保护问题日益凸显，急需采用有效的技术手段对其版权进行保护。

2、数字水印是一种前沿的信息安全技术，该技术通过特定的算法，利用数据本身作为载体，将水印信息与数据融为一体，用于隐藏版权拥有者、数据使用者等信息，目前已被广泛应用在视频、音频以及二维地理数据的版权保护中。数字水印技术适用于事后的版权认定和使用追踪，一旦数据发生泄露或盗用，从数据中检测到的信息将会是责任认定的有力依据。一般需要保护的数字产品均可以根据使用环境和鲁棒性需求，结合自身特点，通过一定的方法和数据处理方式嵌入水印，利用数字水印技术保护数据安全。目前在三维点云数据版权保护方法研究中，通常有基于主成分分析(principal component analysis,pca)的、基于顶点排序的、基于点到基准点的距离的、基于离散小波变换等方法。这些方法针对三维点云数据大规模的随机增点、简化和裁剪攻击鲁棒性差、算法复杂度高等。

3、格网划分是抵抗裁剪攻击常见的方法，通过格网划分，三维点云数据被划分成若干个独立的数据单元，将水印信息分块嵌入可以有效抵抗裁剪攻击。

4、数据归一化处理被广泛应用于数据处理中，使数据具有统一性和可比性。由于不同的空间数据单位不一致，为了能在不同类型的地理空间数据中嵌入水印信息，在水印信息嵌入前，需要对数据进行归一化处理，同时可以使数据具有平移，缩放不变性。

5、本发明综合利用格网划分与数据归一化处理的优势，提出了一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法，实现对三维点云数据在存储、传输和使用过程中的版权保护。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明针对现有的三维点云数据数字水印方法对随机增点、简化和裁剪等攻击鲁棒性不足的问题，提出一种运用格网划分的三维点云数据的数字水印方法。该方法首先将三维点云数据沿z轴投影在二维平面上，并进行均匀格网划分；其次，对分块后每一个格网中的顶点坐标分别进行归一化处理；然后，运用映射方法建立归一化后的x和y坐标与水印信息之间的对应关系；最后，运用qim的方法，通过修改归一化后的z坐标以嵌入水印信息。利用分块嵌入和映射方法，算法的鲁棒性得到了增强，并能实现水印的盲检测。该方法对常见的平移、缩放、随机增点、简化和裁剪等攻击具有良好的鲁棒性，并且具有良好的不可见性，为三维点云数据的版权保护提供了一种新的解决方案。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、1、一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法，包括水印信息生成、水印嵌入和水印提取三部分：

4、水印信息生成步骤如下：

5、s1：读取原始二值水印图像，应用arnold变换来置乱水印图像；

6、s2：将得到的水印图像二值化，得到二值序列；

7、水印嵌入步骤如下：

8、s3：读取原始三维点云数据，对其进行格网划分；

9、s4：对每一个格网中点云数据的x、y和z坐标分别进行归一化处理；

10、s5：将归一化后的x和y坐标放大后计算索引值；

11、s6：将归一化后的z坐标扩大得z′，应用qim方法嵌入水印信息；

12、s7：对z′反归一化处理，得到含水印的z坐标值

13、s7：根据以上步骤对每一个格网中的点云数据进行水印嵌入，得到含水印的三维点云数据；

14、水印提取步骤如下：

15、s8：将步骤s7得到的含水印三维点云数据，进行格网划分并归一化处理；

16、s9：将归一化后的x和y坐标放大后计算索引值；

17、s10：采用qim量化方法和投票原则提取水印信息；

18、s11：结束；

19、本发明方法先进、科学，保证水印信息的有效提取，鲁棒性好，能够为三维点云数据的安全使用和版权保护提供一种新的方案。通过实验表明，该方法对三维点云数据的几何变换、重排序、随机增点、简化和裁剪等攻击具有良好的鲁棒性，具有较好的使用价值。

技术特征：

1.一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法，包括水印信息生成、水印嵌入和水印提取三部分：

2.根据权利要求1所述的一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法，其特征在于，在步骤s7中，运用步骤s1到s2生成的水印信息完成水印嵌入操作。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法，应用场景还包括三维网格数据的版权保护，其特征在于，运用水印技术对三维点云数据的版权进行认证。

技术总结
本发明公开一种运用格网划分的三维点云数据数字水印方法，包括：首先，将三维点云数据沿Z轴投影在二维平面上，并进行均匀格网划分；其次，对分块后每一个格网中的顶点坐标分别进行归一化处理；然后，运用映射方法建立归一化后的X和Y坐标与水印信息之间的对应关系；最后，运用QIM的方法，通过修改归一化后的Z坐标以嵌入水印信息。通过利用分块嵌入和映射方法提高了该方法的鲁棒性，并能实现水印的盲检测。实验表明，该方法对常见的平移、缩放、随机增点、简化和裁剪等攻击具有良好的鲁棒性，并且具有良好的不可见性，为三维点云数据的版权保护提供了一种新的解决方案。

技术研发人员：张黎明,张紫怡,闫浩文,王鹏斌,王帅,张启航
受保护的技术使用者：兰州交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13