BIM数据零水印方法、装置及介质

本发明属于水印安全，更具体地，涉及一种bim数据零水印方法、装置及介质。

背景技术：

1、随着智慧城市的不断发展，“数字中国”的概念被提出，建筑信息模型（buildinginformation modeling）数据由于能够表达城市的全要素信息，有助于城市地理实体描述与微观分析，成为数字中国建设的重要数据源。然而bim数据具有精度高、涉密广、安全性强等特征，数据的非法使用与泄密不仅有损数据合法拥有者利益，更可能对国家利益和安全造成严重损害，因此亟需高效、有效的安全保护策略以保护bim数据安全。数字水印技术是一种前沿的信息安全技术，可以有效解决数据版权保护问题。然而传统水印技术是通过要素移动等方法将版权信息嵌入原始数据中，这将导致bim数据的精度损失或错误的发生。零水印是一种基于数据特征来建立版权与数据间紧密关系的水印技术，能够有效解决数字水印可感知性和鲁棒性之间的矛盾，在不影响数据质量的前提下进行bim数据全生命周期的版权认定、侵权行为溯源与内容认证等，为bim安全保护提供可行、可靠的技术支撑。

2、bim数据是可视化三维模型，现有的三维模型零水印研究已取得了丰硕成果，对bim数据零水印具有借鉴意义。已有成果可分为两类：基于全局几何特征及基于局部几何特征的三维模型零水印算法。

3、基于全局特征的零水印算法，是基于模型直方图等全局特征来构造水印信息的。如高健等（[高健,李智,樊缤等.基于光线投射采样和四元数正交矩的高效三维医学影像鲁棒零水印算法[j].计算机应用,2023,43(04):1191-1197.]）首先基于光线投射的采样算法，获得三维模型的冠状面、矢状面及横切面特征图，其后将特征图进行极复指数变换获得四元数正交矩，最后，对正交矩与版权信息进行异或得到零水印信息。此算法不仅提高了水印容量，且能够抵抗噪声、缩放等多种攻击。由于全局统计特征的高稳定性，此类方法可抵御较多类型的恶意攻击，但对原始数据存在较高要求，常用于冗余较高的网格模型等。bim数据是精细单体模型，具有突出的分层特性、冗余低，因此难以进行直方图统计特征等全局特征进行不变量提取与零水印构建。

4、基于局部特征的零水印算法，是通过根据三维模型顶点顺序、距离等局部特征来构造零水印信息的。如liu（[liu g,wang q,wu l, et al. zero-watermarking methodfor resisting rotation attacks in 3d models[j]. neurocomputing,2020,421.]）等基于beamlet变换提出一种三维模型抗旋转攻击零水印算法，他首先计算顶点三环邻域面积，再将中等面积顶点的一环邻域投影至切平面，并通过beamlet变换提取切平面x轴两侧网格，最终获得构建的零水印，这种方法对常规攻击具有较强抵抗力，能够可靠地保护三维模型的版权。基于局部特征的零水印算法灵活性更强，对原始数据顶点数量要求更低，且相对拥有更强的抗攻击能力。目前，已有学者基于局部特征设计了bim数据零水印算法。景旻等（[景旻,任娜,朱长青等.一种基于距离分区的bim模型零水印算法[j].北京邮电大学学报,2019,42(05):100-106.]）以图元基准点到模型特征点的距离作为水印载体，将特征值分区后利用奇偶性实现了零水印多次构造。此算法对常规平移、旋转、详细程度变换攻击有较强鲁棒性，为现有三维模型水印算法无法直接用于bim数据的问题提供了可行方案。然而，由于此算法利用排序后的图元到模型基点距离进行水印分区，一旦数据发生图元增删，距离序列可能发生错误，特征值被破坏，使零水印出现噪点，因此算法在抗图元攻击方面存在不足。

技术实现思路

1、提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种bim数据零水印方法、装置及介质，具体是以利用模型垂直稳定性，建立图元簇与水印位的映射关系，然后计算每簇图元范数，以范数偏度度量正负性作为特征值构造二值序列，最后将二值序列与原始水印序列进行异或操作构造bim数据零水印。实验结果表明本发明的唯一性、鲁棒性及安全性。

2、根据本发明的第一技术方案，提供一种bim数据零水印方法，所述方法包括：

3、基于密钥筛选目标类型的图元加入集合，计算图元中心点坐标，n为集合长度，并采用所有图元坐标平均值的方法计算模型中心点；

4、排序集合中图元的z值，若或，将对应的z值从集合中删除，获得符合条件的，并根据原始水印序列长度n，如式（3）计算步长：

5、

6、式中 z max为图元z值最大值， z min为图元z值最小值；

7、根据步长，将集合中图元划分到n个簇中，每簇图元的z坐标符合式（4）：

8、

9、式中k为第j个图元簇的图元数量，为集合中的第i个图元；

10、计算图元簇中每一个图元到模型中心点的范数并计算簇内偏度度量，根据偏度度量的正负性来构造水印信息，如式（5）所示：

11、

12、式中为图元簇的范数偏度度量；

13、偏度为0时，表明簇内图元范数呈对称，此时设置水印信息为1，最终获得水印序列；

14、根据式（6）将与置乱后的原始水印序列进行异或操作，得到零水印二值序列：

15、

16、式中表示异或操作。

17、进一步地，通过如下公式计算图元的范数：

18、

19、式中，、与为模型中心点的横坐标、纵坐标与立坐标。

20、进一步地，通过如下公式计算图元簇范数偏度：

21、，

22、式中，是图元簇的偏度度量，k是图元簇中图元的数量，为第i个数据的范数，为图元簇范数平均值，是图元簇范数标准差。

23、进一步地，所述方法还包括水印信息检测，所述水印信息检测包括：

24、获取bim数据，对所述bim数据进行图元分簇，计算每一簇内图元到模型中心点的范数；

25、计算图元簇范数偏度度量来构造水印信息，获得水印零水印二值序列w；

26、获取ipr数据库中注册二值序列，并依据式（6）进行异或操作，生成水印序列，逆置乱获得原始水印图像。

27、根据本发明的第二技术方案，提供一种bim数据零水印方法装置，所述装置包括：

28、图元分簇模块，被配置为：

29、基于密钥筛选目标类型的图元加入集合，计算图元中心点坐标，n为集合长度，并采用所有图元坐标平均值的方法计算模型中心点；

30、排序集合中图元的z值，若或，将对应的z值从集合中删除，获得符合条件的，并根据原始水印序列长度n，如式（3）计算步长：

31、

32、式中 z max为图元z值最大值， z min为图元z值最小值；

33、根据步长，将集合中图元划分到n个簇中，每簇图元的z坐标符合式（4）：

34、

35、式中k为第j个图元簇的图元数量，为集合中的第i个图元；

36、零水印构造模块，被配置为：

37、计算图元簇中每一个图元到模型中心点的范数并计算簇内偏度度量，根据偏度度量的正负性来构造水印信息，如式（5）所示：

38、

39、式中为图元簇的范数偏度度量；

40、偏度为0时，表明簇内图元范数呈对称，此时设置水印信息为1，最终获得水印序列；

41、根据式（6）将与置乱后的原始水印序列进行异或操作，得到零水印二值序列：

42、

43、式中表示异或操作。

44、进一步地，所述零水印构造模块被进一步配置为通过如下公式计算图元的范数：

45、

46、式中，、与为模型中心点的横坐标、纵坐标与立坐标。

47、进一步地，所述零水印构造模块被进一步配置为通过如下公式计算图元簇范数偏度：

48、

49、式中，是图元簇的偏度度量，k是图元簇中图元的数量，为第i个数据的范数，为图元簇范数平均值，是图元簇范数标准差。

50、进一步地，所述装置还包括零水印信息检测模块，所述水印信息检测模块被配置为：

51、获取bim数据，对所述bim数据进行图元分簇，计算每一簇内图元到模型中心点的范数；

52、计算图元簇范数偏度度量来构造水印信息，获得水印零水印二值序列w；

53、获取ipr数据库中注册二值序列，并依据式（6）进行异或操作，生成水印序列，逆置乱获得原始水印图像。

54、根据本发明的第三技术方案，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的方法。

55、本发明至少具有以下有益效果：

56、本发明针对bim数据版权保护需求与已有bim数据零水印算法抗图元攻击鲁棒性不足的问题，提出一种基于bim数据图元范数偏度度量的零水印算法。本算法基于高度这一稳定特征对模型图元进行分簇，建立水印位与模型空间位置的映射关系，一定程度上提高了算法鲁棒性；同时利用簇内图元范数的偏度度量构造水印信息，这种具有一定容错率的局部特征使算法具有抵抗图元攻击的能力。实验表明，本发明具有唯一性，且抵抗平移、旋转、图元攻击的能力强。本发明的提出为bim数据版权保护提供了有效可行的方案，对于bim数据的安全保护具有一定的实用价值。