CN103377455B - 一种面向版权保护服务的三维地理模型数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维地理模型数据数字水印嵌入和检测方法，属于地理信息版权保护的技术领域。本发明的方法是基于三维地理模型数据经过攻击后，虽然其纹理坐标的值发生了改变，但是对应的纹理映射数据值没有发生改变。因而，该方法在分析以往水印算法的基础上，充分利用纹理映射的特点，重新确定了水印的嵌入位置，构建了新的三维地理模型数据数字水印模型，不仅对三维地理模型三维网格数据文件进行嵌入，同时对纹理映射数据文件也进行水印信息嵌入，不但解决了单个地理模型算法对部分攻击鲁棒性低的问题，而且解决了目前具有纹理映射数据的三维地理模型数据在文件攻击和模型攻击后无法检测出水印的问题。

Description

一种面向版权保护服务的三维地理模型数字水印方法

技术领域

本发明涉及地理信息版权保护的技术领域，特别涉及一种三维地理模型数据数字水印嵌入与检测方法。

背景技术

在GIS领域，三维地理模型已成为GIS数据表达的重要组成部分并带来了可观的经济利益。三维地理模型有直观、形象、精细、完整的优点，在地物表达方面，使得物体的空间立体结构显示更加直观；三维地理模型作为数字城市建设的重要组成部分，已在城市规划、无线通信、 灾害管理、 地籍管理、 旅游、 交通及环境仿真等领域显示出了巨大的潜力。

近年来，随着数字化和网络化时代的飞速发展，三维地理模型数据的存储、传输、复制都变得非常方便快捷，随之而来的非法复制、修改、传播、盗用等现象也越来越严重，造成三维地理模型数据的所有者蒙受巨大经济损失。因此，如何保护三维地理模型数据的安全与知识产权已成为迫在眉睫的问题。

数字水印技术作为一种崭新的信息安全技术，为三维地理模型的安全保护提供了一种切实可行的解决途径。数字水印是指在数字化数据中嵌入水印信息，将水印信息与源数据融为一体，成为源数据不可分离的一部分。由此来确定版权拥有者、所有权认证、跟踪侵权行为、认证数字内容来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其他附加信息等。同时对于加强责任心、震慑非法行为、有据可查等具有重要作用。数字水印技术在空间数据安全方面的作用已经受到越来越多的重视。

目前，人们对于数字水印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，对三维地理模型的数字水印技术方面研究相对较少。

在三维模型数字水印算法方面的研究上，最为经典的是其中最具代表性和历史意义的是三角形相似四元组(TSQ：Triangle Similarity Quadruple)算法，四面体体积比(TVR：Tetrahedral Volume Ratio)算法。另外还有剥离的三角形条带符号序列(TSPS：Triangle Strip Peeling Symbol Sequence)嵌入算法，基于形状属性(如纹理映射坐标)调整的水印算法和网格密度模式(MDP：Mesh Density Patern)嵌入算法。在此之后，喻志强（ 喻志强 赵荣椿等, 自适应于局部几何特征的三维模型水印算法. 计算机工程与应用, 2002. 22(23-27)）、万杰（万杰, 三维数字水印算法研究, 2009, 合肥工业大学）等提出一种利用改变中心与各顶点的直线距离来嵌入水印信息的三维模型数据的数字水印算法，Chang Hye-Jung（Chang, H., et al. 3D GIS VECTOR MAP WATERMARKING USINGGEOMETRIC DISTRIBUTION. in Multimedia and Expo, 2009. ICME 2009. IEEEInternational Conference. 2009）提出对GIS三维地理模型进行分层，对于每一层里面的数据，选取多边形和折线作为嵌入因子，利用多边形的面积和折线的长度进行水印嵌入等。

由于三维地理模型自身的特点，这些算法在抵抗三维地理模型的仿射变换攻击和噪声攻击上取得了一定的进展，但是在抵抗三维地理模型的重新网格化、细化攻击以及针对顶点或面片的重排序的文件攻击上效果都不尽人意，尤其是模型描述攻击，在这种攻击之后，网格本身就不存在了，到目前为止，没有学者提到能够抵抗该攻击的水印。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前三维地理模型水印技术无法解决的文件攻击鲁棒性差和无法抵抗模型攻击的问题，提出了一种三维地理模型数据数字水印方法，使得对整个三维地理模型的攻击具有较好的鲁棒性。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

一种面向版权保护服务的三维地理模型数字水印方法，包括以下步骤：

（1）水印信息生成

采用伪随机数发生器生成一个随机数作为水印种子点，然后以种子点为密钥，利用线性随机序列发生器，生成水印信息序列并建立水印信息和水印种子点一一对应的参照表。

（2）三维地理模型数据水印嵌入方案

步骤1：对三维地理模型数据文件中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维的文件数据结构，通过改变三维模型点到中心距离长度的三维水印算法进行水印的嵌入，对于二维纹理映射数据，则采用该数据类型的分块DCT水印算法进行水印嵌入；因而，对于三维地理模型数据文件中的每一个数据对象，不仅对三维文件数据进行嵌入，同时对二维纹理映射数据文件也进行水印信息嵌入，这是本发明的关键点；

步骤3：三维地理模型数据中所有数据依次进行水印嵌入，直至三维地理模型数据中所有的数据文件均被嵌完，嵌入完成。

（3）三维地理模型数据水印检测方案

步骤1：对三维地理模型数据中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维地理模型数据中三维的文件数据结构，采用与嵌入算法相逆的三维模型数字水印算法进行水印的提取；对于其他二维纹理映射类型数据，也采用与二维纹理映射数据嵌入算法相逆的检测算法进行水印信息的提取；

步骤3：对于整个三维地理模型数据文件中的每一个数据文件，不论是从二维纹理映射数据文件还是从三维数据文件提取出水印，只要检测出有数据成功提取出水印信息，则三维地理模型数据检测成功；

步骤4：水印检测结果输出。

本发明基于整个三维地理模型文件数据进行保护，有效提高了三维地理模型数据数字水印算法的抗攻击能力。该方法鲁棒性强，可用于三维地理模型数据的版权保护服务中。

附图说明

图1为本发明方法的水印嵌入流程图。

图2为本发明方法实施例测试中的一幅学校地理模型图。

图3为图2被仿射变换攻击后的地理模型图。

图4为图2被噪声攻击后的地理模型图。

图5为本发明方法的水印检测的流程图。

图6为图2嵌入水印后的效果图。

图7为图6被仿射攻击的状态图。

图8为图6被噪声攻击的状态图。

图9为图6文件攻击后的状态图。

图10为图6模型攻击后的状态图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

本实例选择一学校模型地理数据为实验数据，针对数据的读取、水印信息的生成、水印嵌入、水印检测和检测结果输出的整个过程，给出本发明的一个实施例，进一步详细说明本发明。

如图2、图3、图4、图6、图7、图8、图9和图10所示，在本实施例中选择一个3D MAX生成的学校模型地理数据作为实验数据，整个三维地理模型数据文件中包含三维数据（.3DS）及二维纹理映射数据（.JPG）。

1. 水印信息生成：

步骤一：输入水印信息：本实施例中为：“南京师范大学吉印”。

步骤二：生成一个随机数种子点，本实施例中为：“-1159586775”。

步骤三：采用生成的随机数种子点生成一个水印长度为50的水印信息，本实施例中为：0010011101010101…01011。

2. 三维地理模型数据水印嵌入方案：

首先，顺序选取三维地理模型数据中的数据，并进行判断其数据类型。其次，对于三维地理模型数据中不同的数据类型，分别采用不同的算法进行处理。对于三维地理模型数据中二维纹理映射数据，采用分块机制在低频系数中通过量化的方法嵌入水印信息，对于三维地理模型数据中的三维数据，采用基于长度的三维地理模型数字水印算法，具体过程如下：

设顶点数为M，则顶点集合为；

步骤一：.计算原始地理模型的中心坐标：

步骤二：.将地理模型移动到坐标原点：

步骤三：.对于每一个顶点，对应的点到模型的距离，求出最大距离和最小距离，并记录。

步骤四：将均分为个大小，构成不同的等分区间，即，。

步骤五：建立水印位索引函数：

若，

其中，，为分的组数；为水印位的长度，通过上述公式，建立对应的水印位。

步骤六： 将进行判断，若，依照奇区间的水印位为0，偶区间水印位为1的嵌入规则进行水印的嵌入，否则，当水印位为0时，通过改变长度，使之在奇区间当水印位为1，使之在偶区间，具体如下：

（1）如果当前的水印位为0，即欲使点到中心的距离在奇区间，且已在奇区间；

（）如果当前的水印位为1，即欲使点到中心的距离在偶区间，且已在偶区间；

满足上述两个条件之一，则不改变。否则，依据下述规则进行水印嵌入：如果 ；其中0<<1

（3）检查改变后的是否越界，确保其在的范围，若大于最大距离，或小于最小距离，使之等于最大距离或者最小距离。

步骤七：按照上述步骤将水印信息嵌入到三维地理模型中，被反复嵌入到多个顶点，使之分布到整个三维地理模型。

3. 三维地理模型数据水印检测方案：

首先，顺序选取三维地理模型数据中的数据，并进行判断其数据类型；

其次，针对不同的数据类型，采取相应的检测算法。对于二维纹理映射数据，采用该数据类型的检测算法，对选取块计算变换后的低频值并向下取整计算量化值。通过量化值得到水印信息；对于三维地理模型数据，检测前进行网格对齐和重采样，然后采用三维地理模型数据检测算法进行检测，具体如下：

步骤一：计算原始地理模型的中心坐标：

步骤二：.对于每一个顶点，分别求出点到地理模型中心的距离的集合，，求出最大距离和最小距离。

步骤三：仍然将均分为个大小，构成不同的等分区间，即，。

步骤四：计算水印位索引函数，求出对应的水印位索引值：

若，

其中，，为分的组数；为水印位的长度。

步骤五： 若，利用下列公式统计在区间的情况：

=+sgn()

若为奇区间则取-1，偶区间则取1，而记录了嵌入了的第 位水印在所有顶点处的情况。

步骤六：根据统计情况，提取水印信息。

步骤七：检验所提取水印序列是否为原嵌入的水印序列：利用所提取的水印序列和原始水印序列的相关性来检验其是否为所嵌入的水印序列。相关值计算方法如下：

其中，为提取出来的水印序列，为原始水印序列，为水印位的长度。

最后，对读入的待检测数据遍历，依次提取水印。

4. 本方法的特点与技术优势：

（1）嵌入位置与三维数据密切相关，三维网格在经受平移和旋转攻击后，点到中心的距离不会发生改变；在等比例缩放后，距离因子也是等比例缩放的，所以，基于距离不变性的水印算法对于仿射变换具有较强的抵抗能力，因而能够保证水印信息的完整性。

（2）对于二维纹理映射数据数字水印，由于将水印信息同时嵌入了二维纹理映射数据的多个位置和多个像元值中，因而，该方法可以很好的抵抗裁剪、旋转、缩放、平移等几何攻击；对于三维数据数字水印，水印信息遍布整个三维地理模型，该方法能有效抵抗仿射变换的攻击和噪声攻击；对于整个三维地理模型数据，由于其中包含三维数据和二维纹理映射数据，所以它具有抵抗各种攻击的能力，比如：当三维地理模型数据遭受模型攻击或者文件攻击时，三维地理模型数据中的三维数据网格虽然遭到巨大破坏，在三维数据里，无法检测出水印信息，但是，仍可以通过其中的二维纹理映射数据进行水印检测。所以整个三维地理模型文件可以抵抗诸如地理模型攻击、文件攻击等各种攻击。

5. 本发明的测试与分析：

本发明所提出的方法是专门针对三维地理模型数据的水印方法，采用该方法可以开发并实现基于数字水印技术的三维地理模型数据版权保护系统。

（1）仿射变换

该类攻击是最常见的攻击，它包括平移、旋转、均匀缩放以及以上三种攻击的组合攻击。三维地理模型水印算法中，在提取前进行了重对齐的操作，能够有效抵抗仿射变换的攻击。此外，平移操作是将三维地理模型中的顶点沿直线方向从一个位置移动到另一个位置中，由于平移只是空间位置的改变，而两点间的距离并未发生改变；旋转操作也没有使得两点间的长度发生改变，所以采用本方法可以有效抵抗平移等仿射变换攻击。对含水印三维地理模型进行了不同方向，不同强度的平移、旋转等操作，实验结果表明，本方法能够有效抵抗攻仿射攻击，实验中水印的提取率为100%。

（2）信号攻击

虽然基于长度三维模型数字水印算法可以抵抗一定程度三维地理模型数据的噪声攻击，但是对噪声攻击的鲁棒性较差。然而，基于三维地理模型的水印嵌入策略中，一旦三维模型数据的噪声攻击导致水印信息遭到极大破坏的时候，可以利用三维地理模型数据中的二维纹理映射数据进行水印检测，故该策略能抵抗噪声攻击，实验中水印的提取率为100%。

（3）拓扑攻击

拓扑攻击包括简化、剪切、重采样等改变网格拓扑关系的攻击，和信号攻击一样，当三维数据水印算法无法检测到水印的时候，可以利用三维地理模型数据中的二维纹理映射数据进行提取，实验中水印的提取率为100%。

（4）文件攻击

顶点重排序、面片重排序等。这些需要依赖网格文件中的一些组合单元，三维地理模型算法中的采用两点间的距离因子这一常函数，与顶点顺序无关，因而能够抵抗文件攻击，实验中水印的提取率为100%。

（5）模型攻击

一般三维网格水印在模型描述攻击后，网格本身就不复存在了(如使用NURBS模型来描述一个网格)，因而，它是三维网格水印最为致命的攻击之一，目前为止，还没有一个研究者提到能抗该攻击的三维水印。但是在本发明中可以利用三维地理模型数据的提取策略，对三维地理模型数据中的二维纹理映射数据进行水印信息的检测，因而能够有效抵抗地理模型攻击，实验中水印的提取率为100%。

实施例二

如图1和图5所示，本发明的目的在于：针对目前三维地理模型水印技术无法解决的文件攻击鲁棒性差和无法抵抗模型攻击的问题，提出了一种三维地理模型数据数字水印方法，使得对整个三维地理模型的攻击具有较好的鲁棒性。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

一种面向版权保护服务的三维地理模型数字水印方法，包括以下步骤：

（1）水印信息生成

采用伪随机数发生器生成一个随机数作为水印种子点，然后以种子点为密钥，利用线性随机序列发生器，生成水印信息序列并建立水印信息和水印种子点一一对应的参照表。

（2）三维地理模型数据水印嵌入方案

步骤1：对三维地理模型数据文件中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维的文件数据结构，通过改变三维模型点到中心距离长度的三维水印算法进行水印的嵌入，对于二维纹理映射数据，则采用该数据类型的分块DCT水印算法进行水印嵌入；因而，对于三维地理模型数据文件中的每一个数据对象，不仅对三维文件数据进行嵌入，同时对二维纹理映射数据文件也进行水印信息嵌入，这是本发明的关键点；

步骤3：三维地理模型数据中所有数据依次进行水印嵌入，直至三维地理模型数据中所有的数据文件均被嵌完，嵌入完成。

（3）三维地理模型数据水印检测方案

步骤1：对三维地理模型数据中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维地理模型数据中三维的文件数据结构，采用与嵌入算法相逆的三维模型数字水印算法进行水印的提取；对于其他二维纹理映射类型数据，也采用与二维纹理映射数据嵌入算法相逆的检测算法进行水印信息的提取；

步骤3：对于整个三维地理模型数据文件中的每一个数据文件，不论是从二维纹理映射数据文件还是从三维数据文件提取出水印，只要检测出有数据成功提取出水印信息，则三维地理模型数据检测成功；

步骤4：水印检测结果输出。

本发明基于整个三维地理模型文件数据进行保护，有效提高了三维地理模型数据数字水印算法的抗攻击能力。该方法鲁棒性强，可用于三维地理模型数据的版权保护服务中。

Claims (3)

1.一种面向三维地理模型版权保护服务的数字水印方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、水印信息生成；

采用伪随机数发生器生成一个随机数作为水印种子点nSeed，然后以种子点nSeed为密钥，利用线性随机m序列发生器，生成水印信息序列Watermark并建立水印信息Watermark和水印种子点nSeed一一对应的参照表；

(2)、三维地理模型数据水印嵌入方案；

步骤1：对三维地理模型数据文件中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维的文件数据结构，通过改变三维模型点到中心距离长度的三维水印算法进行水印的嵌入，对于二维纹理映射数据，则采用该数据类型的分块DCT水印算法进行水印嵌入；

步骤3：三维地理模型数据中所有数据依次进行水印嵌入，直至三维地理模型数据中所有的数据文件均被嵌完，嵌入完成；

(3)、三维地理模型数据水印检测方案；

步骤1：对三维地理模型数据中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维地理模型数据中三维的文件数据结构，采用与嵌入算法相逆的三维模型数字水印算法进行水印的提取；对于其他二维纹理映射类型数据，也采用与二维纹理映射数据嵌入算法相逆的检测算法进行水印信息的提取；

步骤3：对于整个三维地理模型数据文件中的每一个数据文件，不论是从二维纹理映射数据文件还是从三维数据文件提取出水印，只要检测出有数据成功提取出水印信息，则三维地理模型数据检测成功；

步骤4：水印检测结果输出。

2.一种面向三维地理模型版权保护服务的数字水印方法，其特征在于：

三维地理模型数据水印嵌入方案；

步骤1：对三维地理模型数据文件中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维的文件数据结构，通过改变三维模型点到中心距离长度的三维水印算法进行水印的嵌入，对于二维纹理映射数据，则采用该数据类型的分块DCT水印算法进行水印嵌入；

步骤3：三维地理模型数据中所有数据依次进行水印嵌入，直至三维地理模型数据中所有的数据文件均被嵌完，嵌入完成。

3.一种面向三维地理模型版权保护服务的数字水印方法，其特征在于：

三维地理模型数据水印检测方案；

步骤1：对三维地理模型数据中的每一个数据对象，进行顺序选取；

步骤2：判断数据类型，对于三维地理模型数据中三维的文件数据结构，采用与嵌入算法相逆的三维模型数字水印算法进行水印的提取；对于其他二维纹理映射类型数据，也采用与二维纹理映射数据嵌入算法相逆的检测算法进行水印信息的提取；

步骤3：对于整个三维地理模型数据文件中的每一个数据文件，不论是从二维纹理映射数据文件还是从三维数据文件提取出水印，只要检测出有数据成功提取出水印信息，则三维地理模型数据检测成功；

步骤4：水印检测结果输出。