三维模型数字水印典型算法研究与实现

论文摘要

数字化技术的发展为信息的获取和传播提供了极大的方便,同时也带来了数字化产品的版权保护问题。数字水印技术为数字化产品的版权保护提供了一种有效方法。目前的数字水印大多是针对图像,音频和视频,而对三维模型水印技术的研究工作相对较少。但是,基于CAD的三维模型的应用越来越多,从在网络中提交或出售三维模型产品的公司或版权所有者的立场来看,他们同样面临版权保护问题,为了保护三维模型在网络上共享而不被非法拷贝,迫切需要一种能够防止未经授权而非法使用已发布的三维模型的方法,数字水印技术作为一种有效的版权保护手段在这个领域具有广泛的应用前景。Ohbuchi在1997年首先提出三维模型的数字水印技术,之后虽然得到一定的研究,但是由于三维模型数据的特殊性,比如缺乏像图像等数据的自然的频域分解算法,这一领域的数字水印技术还不成熟,本文在参考国内外三维模型数字水印技术研究现状的基础上,主要研究三维网格模型的数字水印技术。本文首先介绍了三维模型数字水印技术的研究背景和意义,以及数字水印的一些基本概念,重点阐述了三维模型数字水印技术的特性和主要分类,简单介绍了水印技术的相关工作和研究现状。根据水印嵌入技术的不同,可以将其分为空域三维模型水印技术和频域三维模型水印技术,本文按照这种分类方法对现有的一些典型的三维模型数字水印算法进行了归纳总结和分析,分别指出了各算法的优势和不足之处。基于三维网格模型的特性和水印系统的功能分析,本文设计并实现了一个完整的三维网格模型数字水印系统,介绍了三维数据格式的组织与存储方式,简练而又清晰地说明了系统框架中各模块的实现,包括水印的生成和检测,集成了所有常见的针对三维模型的攻击操作,比如仿射变换、网格简化、噪声、裁剪、网格光顺攻击等,对各种攻击算法的实现进行了简单介绍。对于一些攻击来说,在进行水印提取之前可能需要进行预处理,即网格的重定位和重采样,由此可提高水印提取的正确度,因此对于整个水印过程非常重要,文中详细阐述了一种典型的重定位和重采样的算法。本文参考图像数字水印技术的研究方法,提出了一种基于DCT中频的三维网格模型数字水印算法,将代表三维模型几何特征的“半径”距离看成一维的数字信号,使用DCT变换到频域后在中频系数上加入数字水印,再通过逆向DCT转回空域。实验结果表明该算法实现简单,在保证水印透明性的前提下对于简化攻击、裁剪、随机噪声攻击等具有良好的鲁棒性。E Praun提出的基于渐进网格的三维模型数字水印算法的鲁棒性很高,但其所采用的Hoppe的渐进网格的构造方法十分复杂,影响了总体水印算法的效率,本文详细介绍了渐进网格的原理,并给出一种简单实用的网格塌陷方法,提高了渐进网格的构造效率同时保证渐进网格的有效性,实验结果证明,基于它的水印算法同样具有良好的鲁棒性。本文最后总结全文,并给出了对三维几何模型数字水印技术将来研究方向的讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 数字水印技术概述
• 1.2.1 数字水印的起源及基本概念
• 1.2.2 数字水印的算法分类
• 1.2.3 数字水印的应用领域
• 1.3 三维模型数字水印技术发展与现状
• 1.3.1 三维模型的描述方法
• 1.3.2 三维模型水印系统的特性
• 1.3.3 三维模型数字水印的研究现状
• 1.4 本文的主要工作及章节安排
• 第二章 空域三维模型水印技术
• 2.1 早期的算法
• 2.1.1 三角形相似四元组算法
• 2.1.2 网格密度模式算法
• 2.1.3 四面体体积比法
• 2.1.4 调整拓扑结构
• 2.2 量化索引调制
• 2.3 顶点扰动
• 2.3.1 利用扩频机制
• 2.3.2 利用相邻顶点确定的掩蔽因子
• 2.3.3 利用相邻顶点确定的椭球体
• 2.4 修改距离或长度
• 2.4.1 利用中心到顶点的距离
• 2.4.2 修改特定矢量长度
• 第三章 频域三维模型水印技术
• 3.1 小波变换域
• 3.2 利用三维模型表面的RST不变空间
• 3.3 基于Burt-Adelson金字塔多分辨处理
• 3.4 利用基于拉普拉斯算子的傅立叶分析
• 第四章 三维模型数字水印系统的设计
• 4.1 数据组织和存储结构
• 4.2 系统框架
• 4.3 水印攻击
• 4.4 预处理
• 4.4.1 网格重定位
• 4.4.2 网格重采样
• 4.5 水印检测
• 4.6 系统分析
• 第五章 基于几何属性的三维模型水印算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 透明性的衡量
• 5.3 基于DCT中频的三维模型数字水印算法
• 5.3.1 水印生成及嵌入
• 5.3.2 水印提取
• 5.3.3 实验结果及分析
• 5.4 基于渐进网格的三维模型数字水印算法
• 5.4.1 渐进网格
• 5.4.2 标量基函数的构造
• 5.4.3 水印生成及嵌入
• 5.4.4 水印提取
• 5.4.5 实验结果及分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 攻读学位期间参与的项目
• 学位论文评阅及答答辩情况表