CN113706690A - 一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法及系统，将每个三维模型变换到几何不变空间中，使其具有仿射不变性；调整中心三维模型内接多面体交点与其他模型外接球交点处的法向量方向，使交点处的法向量垂直，对多个模型进行组合形成多载体融合态，将秘密信息嵌入到由多个三维模型组成的融合态载体中，将融合态模型的顶点按均方根曲率值划分出特征点集合，通过改变扇形分区中特征顶点的极坐标值对秘密信息进行隐藏，与基于单载体点云模型顶点范数的三维模型信息隐藏算法相比，利用多载体构建的大容量嵌入环境实施的冗余嵌入使鲁棒性有明显提升，可以抵抗仿射变换攻击和简化、剪切等减少三维模型顶点的攻击。

Description

一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法和系统

技术领域

本发明属于空域的可逆信息隐藏技术领域，具体涉及一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法和系统。

背景技术

目前，随着计算机网络的快速发展以及互联网的普及，数字多媒体在日常生活中被广泛应用，人们通过网络传递文字，图像，视频等信息进行交流。但与此同时，由于数字化信息强移植和易传播的特点，针对计算机文件和网络的攻击也越来越多，攻击者在未授权的情况下窃取重要的机密信息，使多媒体通信存在重大安全隐患，因此秘密信息传输的安全性问题亟待解决。

基于信息隐藏技术的秘密信息传输可以有效信息传输的安全性问题。三维模型因含有丰富的视觉细节信息被应用于信息隐藏技术，以三维模型作为嵌入信息载体发展为信息隐藏安全领域中的一个研究热点。

近年来利用三维模型单载体进行信息隐藏的技术被广泛研究，并且根据秘密信息嵌入区域的不同，算法主要分为空间域算法和变换域算法。但是以单个三维模型为载体，满足算法条件，即可嵌入水印信息的三维点云和网格数量有限，其容量性和鲁棒性难以进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法和系统，以克服现有信息隐藏方法鲁棒性较差、抗旋转几何攻击能力较弱、可视性较差的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，包括以下步骤：

S1，将每个三维模型变换到几何不变空间中；

S2，调整几何不变空间中中心三维模型内接多面体交点与其他三维模型外接球交点处的法向量方向，使交点处的法向量垂直，对多个三维模型进行组合形成多载体融合态；

S3，将待隐藏秘密信息嵌入到多载体融合态中，将多载体融合态模型的顶点按均方根曲率值划分出特征点集合；

S4，将融合态模型顶点在几何不变空间中的二维坐标进行扇形分区，通过改变扇形分区特征点集合中特征点的极坐标值对秘密信息进行隐藏。

进一步的，具体的，建立几何不变空间，将三维模型中所有顶点坐标用新建立的几何不变空间坐标表示，并将其所有顶点的坐标转化为二维极坐标。

进一步的，设U为多载体融合态所有顶点的向量集，记u₁为距离最长的向量，|u₁|＝max(|u|:u∈U)，查找离u₁最远的顶点V_d，定义V_d到u₁投影的O_η为原点，

为x轴，u₁为z轴，三维模型采用自身特征为基准建立坐标系，将三维模型变换到几何不变空间。

进一步的，读取几何不变空间的三维模型，获取三维模型顶点坐标V_i＝(x_i,y_i,z_i)，{i＝0,1,…k-1}，计算出各个三维模型的质心O_i(1≤i≤n)，找出距离中心坐标最远的顶点p_ik(1≤k≤j)，以径向长度为半径，对各个三维模型进行外接球操作，根据半径大小，将半径最大的三维模型作为中心模型，然后在中心模型中内接正多面体；依据融合态的生成方法构成多载体融合态。

进一步的，计算三维融合态点云模型中每个顶点的均方根曲率，模型内顶点均方根曲率较大的顶点作为嵌入信息的特征点，计算顶点均方根曲率K_max(V_i)，设定阈值K_h选取特征点集合；阈值保证在每个存在顶点的扇形分区内至少存在一个特征顶点。

进一步的，根据嵌入信息比特位个数，将转化好坐标的多载体融合态点云模型按照角度进行等角度划分操作；每一个角度分区内将嵌入一个信息比特位，并且按照落入角度分区内的特征点数来控制嵌入同一信息比特位的次数。

进一步的，对多载体融合态的二维顶点坐标进行角度划分，根据秘密信息比特位数H及角度分区个数l，将秘密信息嵌入在角度分区中，角度分区个数由嵌入的秘密信息比特数决定，如果嵌入的秘密信息序列H为λ位(H₁,H₂,...,H_λ)，将顶点角度划分为2λ等份，分区个数为l＝2λ，每个分区的角度间隔是φ＝360°/2λ。

进一步的，根据嵌入的二值信息比特内容来调整顶点极角大小，完成各个角度分区内的水印嵌入；在角度分区的基础上进行扇形分区，保证调整后的顶点仍在同一个分区内。

进一步的，通过修改特征顶点的极角进行信息隐藏，其他坐标分量保持不变，每个角度分区内的特征顶点携带同一个比特信息，调整极角大小嵌入信息，当嵌入秘密信息为1时，

增加极角，嵌入秘密信息为0时，

减小极角。

一种多载体信息隐藏系统，包括多载体融合态模块、信息嵌入模块和隐藏模块；

多载体融合态模块用于建立几何不变空间，将每个三维模型变换到几何不变空间中，并调整几何不变空间中中心三维模型内接多面体交点与其他三维模型外接球交点处的法向量方向，使交点处的法向量垂直，对多个三维模型进行组合形成多载体融合态；

信息嵌入模块用于将待隐藏秘密信息嵌入到多载体融合态中，将多载体融合态模型的顶点按均方根曲率值划分出特征点集合；

隐藏模块用于将融合态模型顶点在几何不变空间中的二维坐标进行扇形分区，通过改变扇形分区特征点集合中特征点的极坐标值对秘密信息进行隐藏。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，首先将每个三维模型变换到几何不变空间中，使其具有仿射不变性；调整中心三维模型内接多面体交点与其他模型外接球交点处的法向量方向，使交点处的法向量垂直，对多个模型进行组合形成多载体融合态，将秘密信息嵌入到由多个三维模型组成的融合态载体中，然后将融合态模型的顶点按均方根曲率值划分出特征点集合，对融合态模型顶点降维后的二维坐标进行扇形分区，通过改变扇形分区中特征顶点的极坐标值对秘密信息进行隐藏，与基于单载体点云模型顶点范数的三维模型信息隐藏算法相比，利用多载体构建的大容量嵌入环境实施的冗余嵌入使鲁棒性有明显提升，可以抵抗仿射变换攻击和简化、剪切等减少三维模型顶点的攻击。

进一步的，采用三维模型含有丰富的视觉细节信息被应用于信息隐藏技术，多载体三维模型因具有较强的容量性和鲁棒性被应用于对安全性要求高的秘密信息隐蔽通信等应用，解决了现有信息隐藏算法算法鲁棒性较差、抗旋转几何攻击能力较弱、可视性较差的问题。

本发明一种多载体信息隐藏系统，基于多载体融合态信息隐藏方法的核心优势，用多个三维模型为秘密信息构建大容量嵌入环境，使秘密信息重复嵌入到整个融合态中的同时被分散隐藏在多个三维模型上，降低秘密信息隐藏的密度，提高了算法的鲁棒性和不可见性。

附图说明

图1是本发明实施例中具体流程图。

图2是本发明实施例中实验扇形分区图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，包括以下步骤：

S1，将每个三维模型变换到几何不变空间中；

具体的，建立几何不变空间，将三维模型中所有顶点坐标用新建立的几何不变空间坐标表示，并将其所有顶点的坐标转化为二维极坐标，使其具有仿射不变性；

建立几何不变空间，设U为多载体融合态所有顶点的向量集，记u₁为距离最长的向量，|u₁|＝max(|u|:u∈U)，查找离u₁最远的顶点V_d，定义V_d到u₁投影的O_η为原点，

为x轴，u₁为z轴，三维模型采用自身特征为基准建立坐标系，将三维模型变换到几何不变空间，使其具有平移、旋转和缩放不变性，如图1所示。

S2，调整几何不变空间中中心三维模型内接多面体交点与其他三维模型外接球交点处的法向量方向，使交点处的法向量垂直，对多个三维模型进行组合形成多载体融合态；

具体的，读取几何不变空间的三维模型，获取三维模型顶点坐标V_i＝(x_i,y_i,z_i)，{i＝0,1,…k-1}，利用式(1)根据公式(1)找到三维模型质心O_i(x_i0,y_i0,z_i0)，作为模型原点，i表示第i个三维模型，1≤i≤n。根据公式(2)计算每个顶点到质心的径向距离d_ij，记距离质心的最远点为p_ik(1≤k≤j_i)，j_i为每个三维模型顶点数。以p_ik(x_ik,y_ik,z_ik)点与质心O_i间的距离r_ik为半径，对三维模型进行外接球处理，根据半径大小，将半径最大的三维模型作为中心模型，记中心三维模型为C，其半径记为R，将其它n-1个三维模型的外接球等比例扩大到半径为R的外接球，在三维模型C中内接正多面体，记正多面体顶点与模型顶点重合的点为ξ_g，g为正多面体顶点个数，使交点均匀分布在中心模型上，当正多面体顶点与模型顶点不重合时，根据欧几里得距离，选择离正多面体顶点最近的模型顶点为交点，如公式(3)所示；

将其它n-1个三维模型根据顶点数从小到大排序，即{X₁,X₂,…X_n-1}，使n-1个三维模型外接球的p_ik点与模型内接多面体的交点ξ_g相切，记该点为切点，使两个三维模型切点处的法向量垂直，确定每个三维模型的位置。将ξ_g根据其球面坐标

中的r从小到大进行排序，即{r₁,r₂,…r_g}，按照r从小到大的顺序选取切点，三维模型{X₁,X₂,…X_n-1}与交点{ξ₁,ξ₂,…ξ_g}g≥n一一对应，依据融合态的生成方法构成多载体融合态。

S3，将待隐藏秘密信息嵌入到多载体融合态中，将多载体融合态模型的顶点按均方根曲率值划分出特征点集合；

具体的，计算三维融合态点云模型中每个顶点的均方根曲率，模型内顶点均方根曲率较大的顶点作为嵌入信息的特征点；

根据公式(4)和公式(5)计算多载体融合态顶点V_i的高斯曲率G和平均曲率H。

其中，

是法截面曲线的曲率，

近似代替v到v_n的弧长，N_v是顶点V_i处的法矢量N_v，N_v可以根据每个三角形的单位法矢量和面积估算。

根据公式(6)计算顶点均方根曲率K_max(V_i)，设定阈值K_h选取特征点集合；阈值的取值与秘密信息的容量相关，它需保证在每个存在顶点的扇形分区内至少存在一个特征顶点；

S4，将融合态模型顶点在几何不变空间中的二维坐标进行扇形分区，通过改变扇形分区特征点集合中特征点的极坐标值对秘密信息进行隐藏。

具体的，根据嵌入信息比特位个数，将转化好坐标的多载体融合态点云模型按照角度进行等角度划分操作；每一个角度分区内将嵌入一个信息比特位，并且按照落入角度分区内的特征点数来控制嵌入同一信息比特位的次数；

对多载体融合态的二维顶点坐标进行角度划分，根据秘密信息比特位数H及角度分区个数l，将秘密信息嵌入在角度分区中。角度分区个数由嵌入的秘密信息比特数决定，如果嵌入的秘密信息序列H为λ位(H₁,H₂,...,H_λ)，将顶点角度划分为2λ等份，分区个数为l＝2λ，每个分区的角度间隔是φ＝360°/2λ。

根据嵌入的二值信息比特内容来调整顶点极角大小，完成各个角度分区内的水印嵌入；在角度分区的基础上进行扇形分区，保证调整后的顶点仍在同一个分区内，提高秘密信息提取的准确性。本发明基于单载体点云模型顶点范数的三维模型信息隐藏算法相比，利用多载体构建的大容量嵌入环境实施的冗余嵌入使鲁棒性有明显提升，可以抵抗仿射变换攻击和简化、剪切等减少三维模型顶点的攻击。

通过修改特征顶点的极角进行信息隐藏，其他坐标分量保持不变，每个角度分区内的特征顶点携带同一个比特信息，调整极角大小嵌入信息的公式如下式(7)所示，当嵌入秘密信息w_n为1时，

增加极角，嵌入秘密信息w_n为0时，

减小极角。

在角度分区的基础上进行扇形分区，将每个扇形分为ab两个区域，如图2所示，极角在调整时还需要满足扇形分区的约束，如公式(8)所示，使尽可能小的改变顶点位置，提高算法的不可见性。

将嵌入秘密信息的融合态进行拆分，得到含有秘密信息的三维模型M₁′,M₂′,......,M_n′。

本发明以多载体融合态为载体嵌入秘密信息，构建大容量嵌入环境，提高算法鲁棒性；使用较大的均方根平均曲率的顶点作为水印嵌入特征点可增加水印的不可见性；根据特征点在扇形区域中的分布多次嵌入水印位可提高水印的完整性。

本发明可用于基于空域三维模型的信息隐藏系统，多载体融合态信息隐藏算法的核心优势是利用多个三维模型为秘密信息构建大容量嵌入环境，使秘密信息重复嵌入到整个融合态中的同时被分散隐藏在多个三维模型上，降低秘密信息隐藏的密度，提高了算法的鲁棒性和不可见性。

Claims (10)

1.一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将每个三维模型变换到几何不变空间中；

S2，调整几何不变空间中中心三维模型内接多面体交点与其他三维模型外接球交点处的法向量方向，使交点处的法向量垂直，对多个三维模型进行组合形成多载体融合态；

S3，将待隐藏秘密信息嵌入到多载体融合态中，将多载体融合态模型的顶点按均方根曲率值划分出特征点集合；

S4，将融合态模型顶点在几何不变空间中的二维坐标进行扇形分区，通过改变扇形分区特征点集合中特征点的极坐标值对秘密信息进行隐藏。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，具体的，建立几何不变空间，将三维模型中所有顶点坐标用新建立的几何不变空间坐标表示，并将其所有顶点的坐标转化为二维极坐标。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，设U为多载体融合态所有顶点的向量集，记u₁为距离最长的向量，|u₁|＝max(|u|:u∈U)，查找离u₁最远的顶点V_d，定义V_d到u₁投影的O_η为原点，

为x轴，u₁为z轴，三维模型采用自身特征为基准建立坐标系，将三维模型变换到几何不变空间。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，读取几何不变空间的三维模型，获取三维模型顶点坐标V_i＝(x_i,y_i,z_i)，{i＝0,1,…k-1}，计算出各个三维模型的质心O_i(x_i0,y_i0,z_i0)(1≤i≤n)，计算每个顶点到质心的径向距离d_ij，记距离质心的最远点为p_ik(1≤k≤j_i)，j_i为每个三维模型顶点数，以p_ik(x_ik,y_ik,z_ik)点与质心O_i间的距离r_ik为半径，对三维模型进行外接球处理，依据融合态的生成方法构成多载体融合态。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，计算三维融合态点云模型中每个顶点的均方根曲率，模型内顶点均方根曲率较大的顶点作为嵌入信息的特征点，计算顶点均方根曲率K_max(V_i)，设定阈值K_h选取特征点集合；阈值保证在每个存在顶点的扇形分区内至少存在一个特征顶点。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，根据嵌入信息比特位个数，将转化好坐标的多载体融合态点云模型按照角度进行等角度划分操作；每一个角度分区内将嵌入一个信息比特位，并且按照落入角度分区内的特征点数来控制嵌入同一信息比特位的次数。

7.根据权利要求6所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，对多载体融合态的二维顶点坐标进行角度划分，根据秘密信息比特位数H及角度分区个数l，将秘密信息嵌入在角度分区中，角度分区个数由嵌入的秘密信息比特数决定，如果嵌入的秘密信息序列H为λ位(H₁,H₂,...,H_λ)，将顶点角度划分为2λ等份，分区个数为l＝2λ，每个分区的角度间隔是φ＝360°/2λ。

8.根据权利要求6所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，根据嵌入的二值信息比特内容来调整顶点极角大小，完成各个角度分区内的水印嵌入；在角度分区的基础上进行扇形分区，保证调整后的顶点仍在同一个分区内。

9.根据权利要求6所述的一种基于三维模型顶点分区的多载体信息隐藏方法，其特征在于，通过修改特征顶点的极角进行信息隐藏，其他坐标分量保持不变，每个角度分区内的特征顶点携带同一个比特信息，调整极角大小嵌入信息，当嵌入秘密信息为1时，

增加极角，嵌入秘密信息为0时，

减小极角。

10.一种基于权利要求1所述多载体信息隐藏方法的多载体信息隐藏系统，其特征在于，包括多载体融合态模块、信息嵌入模块和隐藏模块；

多载体融合态模块用于建立几何不变空间，将每个三维模型变换到几何不变空间中，并调整几何不变空间中中心三维模型内接多面体交点与其他三维模型外接球交点处的法向量方向，使交点处的法向量垂直，对多个三维模型进行组合形成多载体融合态；

信息嵌入模块用于将待隐藏秘密信息嵌入到多载体融合态中，将多载体融合态模型的顶点按均方根曲率值划分出特征点集合；

隐藏模块用于将融合态模型顶点在几何不变空间中的二维坐标进行扇形分区，通过改变扇形分区特征点集合中特征点的极坐标值对秘密信息进行隐藏。

Images