CN101692288A - 基于nurbs表示的cad模型的数字水印嵌入及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NURBS表示的CAD模型的数字水印嵌入及检测方法，包含a.嵌入水印：1)对模型中的NURBS曲线和/或曲面依次进行排序、置乱，后选取作为实际水印嵌入载体的NURBS曲线和/或曲面；2)对水印信息进行预处理；3)利用反插节点方法将水印信息分段嵌入所选取的各NURBS曲线和/或曲面的相对节点位置中；b.检测水印：1)按与a中的步骤1)相同的方法选取作为实际水印嵌入载体的NURBS曲线和/或曲面；2)分别提取各NURBS曲线和/或曲面中的水印信息；3)将水印信息合并还原并与原始水印信息进行相似度分析以验证其正确性。本发明的优点是：可精确保持CAD模型几何形状，检测过程不需借助原始CAD模型的参与，对各种常见攻击具有很强的鲁棒性。

Description

基于NURBS表示的CAD模型的数字水印嵌入及检测方法

技术领域

本发明涉及一种CAD模型的数字水印嵌入及检测方法，特别涉及一种基于NURBS表示的CAD模型数字水印方法，适用于CAD模型的版权保护。

背景技术

随着网络的迅速发展和不断应用，产品数据安全已成为一个研究问题。传统的密码认证技术对于数字产品的任意非法复制、篡改和传播显得力不从心，于是，近几年国际上提出了一种新的数字信息产品版权保护和数据安全维护的技术——数字水印技术。经过十几年的研究和发展，数字水印技术已经较成功的应用于静止图像、视频和文本等传统的媒体类型.其间经过了使用简单位替换技术的基础算法、应用扩展频谱等技术的通用算法以及逐渐成为主流研究方向的基于人类感知生理模型的算法等阶段，形成了大量的实用算法和商品化系统。

然而，针对CAD模型尤其是基于NURBS表示的CAD模型的水印算法的研究和应用还很少，其主要存在以下设计难点：

1)没有固定的数据顺序。音频、视频的数据是按时间顺序排列的，静止图像、视频的帧则以扫描线顺序排列，而CAD模型数据却没有固定的数据顺序。

2)目前的模型水印算法都是通过修改模型的几何或拓扑信息来嵌入在感觉上透明而不是在功能上透明的水印，但在CAD模型中，必须精确地保持CAD模型几何形状。

3)由于对CAD模型经常可能会遇到各种操作，如旋转、平移、尺度变换、仿射变换，变形等，因此，水印算法还应该具有较强的抗攻击能力。现有的各种算法其抗攻击能力都还比较弱，具有较强鲁棒性的水印算法还很少看到。

4)CAD模型中冗余的信息量少。与以点阵表示的图像不同，CAD模型一般采用参数化的矢量表示，从而整个模型的数据量要少得多，因此，其中可用于编码水印的冗余信息也要少得多。

综上所述，CAD模型水印技术才刚刚起步，还有许多有待解决的课题，目前该领域已经逐渐成为数字水印研究的新热点。

发明内容

本发明针对目前CAD模型数字水印算法中存在的难点不足，提出一种可广泛应用于CAD模型的数字水印方法，该方法能够精确的保持CAD模型的几何形状并有效抵抗各种常见攻击，且水印检测过程不需要原始CAD模型参与，是一种鲁棒的盲水印方法。

本发明主要研究采用NURBS表示的CAD模型的数字水印技术。对于复杂的模型，为了能够嵌入大量的水印信息，本发明首先对水印信息进行分段，然后分别嵌入各NURBS曲线和/或曲面中。为了能够在嵌入水印后严格保持CAD模型几何形状，对于其中每个NURBS曲线和/或曲面采用节点向量为水印载体，通过插入含有水印信息的多个节点嵌入水印，最终检测结果将基于提取水印与原始水印的相似度分析。由于节点插入算法仅仅增加NURBS节点及控制点的数量并不改变其形状，使得该方法在嵌入水印后仍能精确保持CAD模型的几何形状。此外，过程中将采用混沌技术来进行有效的信息编码及复杂模型中多NURBS的置乱，以显著提高水印对于仿射变换、节点插入、节点删除等攻击的抵抗性。

本发明所采用的技术方案流程如下：

1.嵌入水印(图1)：

1)对模型中的NURBS曲线和/或曲面依次进行排序、置乱，后选取作为实际水印嵌入载体的NURBS曲线和/或曲面；

2)对水印信息进行预处理以提高水印方法的鲁棒性；

3)利用反插节点方法将水印信息分段嵌入所选取的各NURBS曲线和/或曲面的相对节点位置中；

2.检测水印(图2)：

1)用嵌入水印时的同样方法选择实际水印载体；

2)分别提取各NURBS曲线和/或曲面中的水印信息；

3)将所提取的水印信息合并还原，将还原后水印信息与原始水印信息进行相似度分析，以验证还原后水印信息的正确性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种能够精确的保持CAD模型几何形状的水印方法，其水印检测过程不需要借助原始CAD模型的参与，且水印方法对于各种常见攻击具有很强的鲁棒性。

附图说明

图1是CAD模型数字水印嵌入流程图。

图2是CAD模型数字水印检测流程图。

具体实施方式

1.水印的实际载体的选取

为了能够显著提高嵌入水印信息的容量，以及更有效的抵抗删除类操作对水印检测时的影响，我们将水印信息进行分段，并分别嵌入到CAD模型中的多张NURBS曲面上，于是如何选择这些曲面，及提取时如何将各曲面中的信息按顺序还原成为一个重要问题。首先将模型中各NURBS曲面按形状信息如球坐标、面积进行排序，这使得其对于平移、旋转、放缩等仿射变换具有不变性，然后用混沌置乱方法将它们进行重排序，最后依序嵌入分段水印信息。具体混沌置乱方法如下：通过密钥(如原始水印信息)作为初值迭代生成混沌序列，取其中一段连续序列K_i与排好序的模型中各NURBS曲面S_i建立映射关系f(S_i)＝K_i，然后对该连续序列按某种方式进行置乱得到g(K_i)，从而得到原CAD模型中个NURBS曲面序列的置乱排序Order(S_i)＝g(f(S_i))。这样做的好处是使得我们的水印算法对于缺乏知识的第三方更加鲁棒。

2.水印信息的预处理

一般情况下，给定一个“种子”作为伪噪声发生器的输入，就可以产生具有Gaussian分布的白噪声信号。这个“种子”可以是产品的序列号、生产日期，也可以是无任何意义的一个数字，但只能由产生者自己保管。因为当序列发生器固定时，“种子”就是产生水印的密钥。在进行水印提取检测时，需要以此密钥来产生与水印嵌入时相同的伪随机实数序列，用来确定待检测产品中是否含有该水印。如果产生水印的密钥为攻击者所了解，就有可能获得水印的知识，继而对水印进行破坏。为此，需要对水印信息进行预处理。

近年来，有不少研究人员提出使用混沌序列作为水印。混沌现象是非线性动力系统中出现的确定性的、类似随机的过程。利用其对初值的敏感依赖性，可以提供数量众多、非相关、类似随机而又确实可再生的信号。因此，利用混沌序列作为水印信号，具有易于生成数量极多以及初始条件敏感的优势，将混沌序列的初始值作为嵌入和检测提取信号的密钥，不仅简单而且实用。本发明利用混沌方法来对水印信息进行预处理，使用其他预处理方法亦可达到类似的效果。这里我们采用改进型的Logistic映射来生成混沌序列：

x_i+1＝1-2(x_i)² x_i∈(-1，1)                (1)

k_i＝sgn(x_i)sgn(x)是符号函数              (2)

在这里我们只须找到一个合适的初值。给定原始非空水印信息为D＝{d_i|d_i∈{0，1}，i＝1，2，...，n}，其在二进制表示下为n比特，则初值按下式进行计算：

$x_0=\frac{D-2^{n-1}}{2^{n-1}}---\left(3\right)$

显然x₀∈(-1，1)，通过其作为初值便可得到一个性能良好的混沌序列。

为此，我们将水印信息转化为一维二值信息序列A＝{a_i＝d_i*2-1|a_i∈{-1，1}，i＝1，2，...，n}。然后利用上面的混沌映射方法生成的伪随机序列k_i∈{-1，1}进行调制，生成能直接嵌入的水印信息W＝{w_i|w_i＝a_i*k_i，i＝1，2，......n}。

3.水印信息的嵌入

NURBS曲面由控制顶点、权值、节点矢量三部分共同决定，因此水印的嵌入对象可以从这三者中选择。如果采用控制顶点作为水印载体，则不但水印的嵌入容易导致模型形状的微小改变，而且使得水印难以抵抗诸如平移、旋转、放缩等以控制顶点为作用对象的仿射变换。而对于权值，目前的CAD系统往往均默认为1，亦不适于作为水印嵌入对象。因此本发明拟采用节点矢量作为水印载体，因为通过反插节点算法可以插入任意数量的节点，且严格保持NURBS形状不变，而且其固有的抵抗仿射变换的能力使得算法的研究重点集中在对于节点插入、删除等攻击的抵抗能力上。

为了能够有效抵抗节点删除攻击，我们需要将水印信息单元分解并嵌入到多个节点中，这样可以通过相似度的匹配有效的在缺失部分节点情况下恢复完整的水印信息。为此，我们需要计算出新插入的节点。假设水印载体为一条NURBS曲线，且节点向量为u_i∈[0，1]。则新插入节点也应该在区间[0，1]之间。我们将[0，1]划分为n+1个区间：

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{i}{n+1},i=\mathrm{1,2},...,n+1---\left(4\right)$

于是，新插入节点按以下公式计算得出

u_i＝Δ_i+α*w_i，i＝1，2，...，n                (5)

为了保证新插入节点序列单调递增，此处

$0<\mathrm{\&alpha;}<\frac{1}{2(n+1)}---\left(6\right)$

然后我们将计算得到的所有新节点u_i利用反插节点公式插入该曲线，重复该过程，直到分段的水印信息分别插入相应的NURBS曲线中。类似的，当水印载体为一张曲面时，我们将水印信息分成两部分并利用与上述相同的方法分别嵌入曲面的U、V两个方向的节点向量中即可，显然NURBS曲面的水印信息容量为NURBS曲线的两倍。

4.水印信息的提取及验证

水印的提取过程为水印嵌入的逆过程。首先，我们采用与嵌入过程相同的机制对水印CAD模型中各NURBS曲线和/或曲面进行排序，然后分别提取水印各段信息并进行合并还原，这里需要对如何提取单条NURBS曲线中的水印信息进行说明，对于NURBS曲面，只需将U、V两个方向中分别提取的水印信息合并即可。当水印进行提取时，我们查找NURBS曲线中的各个节点，通过下式计算提取水印：

然后按照嵌入时使用的同一伪随机序列进行解调，得到：

A′＝{a_i′|a_i′＝w_i′*k_i，i＝1，2，......n}                (8)

最终通过比较提取水印信息A′与原始水印信息A的相似程度来检测水印是否存在，其相似程度通过计算它们的归一化相关系数(NC)来得到：

$\mathrm{NC}(A,A^{\&prime;})=\frac{\mathrm{\&Sigma;}{a}_j{a_j}^{\&prime;}}{\mathrm{\&Sigma;}{a_j}^2}---\left(9\right)$

具体流程图如图1和图2所示。

本发明所述水印方法由于在水印信息嵌入阶段采用NURBS反插节点方法，使得其水印嵌入过程能够精确保持原始CAD模型的几何形状，即具有功能透明性。对于某“单位”水印信息(如一个字符)我们并非仅将其隐藏于单个节点而是多个，由于最终检测基于相似度分析，这样对于少量的节点删除，只要阈值设置适当便可正常检测出水印信息。同理其对于节点插入及仿射变换等攻击均能有效抵抗，因为它们实际并不影响我们插入的新节点值。同时由于我们将水印信息嵌入在节点的相对位置中，即计算出的新插入节点位置不需要原有节点向量信息参与，其使得在水印检测过程中亦不需要原始CAD模型的参与，即本发明方法是一种盲水印方法。综上，本发明是一种能够精确保持CAD模型几何形状的水印方法，其水印检测过程不需要借助原始CAD模型的参与，且水印方法对于仿射变换、节点插入、节点删除等各种常见攻击具有很强的鲁棒性。以下举例说明使用本发明数字水印嵌入及检测方法的效果：选取一个原始CAD模型来进行试验，该模型基于NURBS表示；将水印信息“I love China！”嵌入到其中各NURBS曲线上。将水印信息根据其8位表示的ASCII码转化为一维二值信息序列，根据其字符数(包含两个空格、一个感叹号及一个末尾空字符)将其共14个字符，按每段采用n＝7进行分段，共分为14×8÷7＝16段，在将每段水印信息均嵌入相应NURBS曲线后模型严格保持形状不变。在分别对其进行平移、旋转、放缩后均可正常检测水印信息，在分别对其进行节点插入、少量节点删除时，使用0.8的阈值进行相似度比较均能成功验证水印信息，且水印检测过程不需要原始CAD模型的参与。

Claims (4)

1.一种基于NURBS表示的CAD模型的数字水印嵌入及检测方法，其特征在于包含以下部分：

a.嵌入水印，所述嵌入水印包含以下步骤：

1)对模型中的NURBS曲线和/或曲面依次进行排序、置乱，后选取作为实际水印嵌入载体的NURBS曲线和/或曲面；

2)对水印信息进行预处理以提高水印方法的鲁棒性；

3)利用反插节点方法将水印信息分段嵌入所选取的各NURBS曲线和/或曲面的相对节点位置中；

b.检测水印，所述检测水印包含以下步骤：

1)按与所述a中的步骤1)相同的方法选取作为实际水印嵌入载体的NURBS曲线和/或曲面；

2)分别提取各NURBS曲线和/或曲面中的水印信息；

3)将所提取的水印信息合并还原，将还原后水印信息与原始水印信息进行相似度分析，以验证还原后水印信息的正确性。

2.根据权利要求1所述的基于NURBS表示的CAD模型的数字水印嵌入及检测方法，其特征在于所述的对模型中的NURBS曲线和/或曲面进行排序是相应地按照球坐标的大小、曲面面积的大小或曲线的长度进行排序。

3.根据权利要求1所述的基于NURBS表示的CAD模型的数字水印嵌入及检测方法，其特征在于所述的将水印信息分段嵌入所选取的各NURBS曲线的相对节点位置中是按如下步骤进行：

1)按式(I)将区间[0，1]划分为n+1个区间：

${\mathrm{\&Delta;}}_i=\frac{i}{n+1},i=\mathrm{1,2},...,n+1---\left(I\right)$

2)按式(II)得到所述需要新插入的节点u_i′：

u_i′＝Δ_i+α*w_i，i＝1，2，...，n                (II)

式(II)中，u_i′为插入原节点向量u_i∈[0，1]的新节点，W＝{w_i|i＝1，2，......n}为待插入水印信息，且其中α满足式(III)：

$0<\mathrm{\&alpha;}<\frac{1}{2(n+1)}---\left(\mathrm{III}\right)$

3)将步骤2)得到的新节点利用反插节点方法分别插入到对应的NURBS曲线。

4.根据权利要求1所述的基于NURBS表示的CAD模型的数字水印嵌入及检测方法，其特征在于所述的将水印信息分段嵌入所选取的各NURBS曲面的相对节点位置中是按如下步骤进行：

1)按式(IV)和式(V)将区间[0，1]分别划分为n+1个区间及m-n+1个区间：

${\mathrm{\&Delta;}}_{i,n+1}=\frac{i}{n+1},i=\mathrm{1,2},...,n+1---\left(\mathrm{IV}\right)$

${\mathrm{\&Delta;}}_{i,m-n+1}=\frac{i}{m-n+1},i=\mathrm{1,2},...,m-n+1---\left(V\right)$

2)按式(VI)和式(VII)得到所述需要新插入的节点u_i′，v_i′：

u_i′＝Δ_i，n+1+α_u*w_i，i＝1，2，...，n           (VI)

v_i′＝Δ_i，m-n+1+α_v*w_n+i，i＝1，2，...，m-n     (VII)

式(VI)中，u_i′为插入原曲面U方向节点向量u_i∈[0，1]的新节点，式(VII)中，v_i′为插入原曲面V方向节点向量v_i∈[0，1]的新节点，为待插入水印信息，且其中α_u，α_v分别满足

式(VIII)和式(IX)：

$0<{\mathrm{\&alpha;}}_u<\frac{1}{2(n+1)}---\left(\mathrm{VIII}\right)$

$0<{\mathrm{\&alpha;}}_v<\frac{1}{2(m-n+1)}---\left(\mathrm{IX}\right)$

3)将步骤2)得到的新节点利用反插节点方法分别插入到对应的NURBS曲面。

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