一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法技术

一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，包括步骤：采用3D多边形网格M＝{V，E}作为输入覆盖原始模型，并对原始模型进行轴对齐的预处理；采用水印密钥和伪随机生成器生成水印图案；通过基于圆柱坐标中离散顶点的位置信息获取扩频水印算法，并采用水印图案对预处理后的原始模型进行水印嵌入；对水印嵌入的原始模型进行模型重建以获得水印模型。本发明专利技术基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法实现的水印具有应对恶劣环境的鲁棒性和不可视性，不仅使得3D模型内容在数字领域共享时得到保护，而且当3D数字内容通过3D打印转换为模拟内容时也能得到保护。

A Blind Watermarking Method for 3D Mesh Based on Hierarchical Artifact Analysis

A 3D mesh blind watermarking generation method based on hierarchical artifact analysis includes steps: using 3D polygon mesh M={V,E} as input to cover the original model, and preprocessing the original model for axis alignment; using watermarking key and pseudo-random generator to generate watermarking patterns; and using discrete vertices in cylindrical coordinates to generate watermarking patterns. Spread spectrum watermarking algorithm based on location information is acquired, and watermarking is embedded into the original model after pretreatment by using the watermarking pattern, and the original model of watermarking is reconstructed to obtain the watermarking model. The watermarking realized by the method of 3D mesh blind watermarking generation based on layered artifact analysis has the robustness and invisibility to cope with harsh environment, which not only protects the 3D model content from sharing in the digital field, but also protects the 3D digital content when it is converted into analog content through 3D printing.

【技术实现步骤摘要】
一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法
本专利技术涉及3D打印
，具体涉及一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法。
技术介绍
在3D打印
中，目前存在的一个技术难点是3D模型内容的版权保护问题。急需一个强有力、有效的技术以避免未经授权的复制、篡改和非法分发，从而为知识产权提供保护。当前，3D模型提供商试图通过指纹、数字版权管理(DRM)、访问控制、加密和数字水印技术来保护3D模型内容，其问题是基于加密和DRM的3D模型内容保护是无效的，因为3D打印过程禁用这些保护。因此，3D模型内容不仅可以在互联网上非法复制，还可以在线下市场非法复制和重新分发。为此，需要研究开发一种数字水印技术来保护3D打印，以确保3D内容产业的繁荣。数字水印技术是将数字信息隐藏在诸如多媒体数据等信号中的过程，当版权纠纷发生时，水印可以被用来确定作者的身份，当一个原型被泄露时，它可以被用作指纹来跟踪一条分发路径。此外，数字水印还可以作为自动系统的一个主动组件用于在内容共享环境中对未授权用户进行管理。因此，3D模型的数字水印在分发前应秘密嵌入到3D模型内容中，此外，嵌入的水印必须抵制可能侵犯版权的攻击。目前，已经提出了各种水印方法来保护用于3D打印的3D网格模型，然而，目前的三维模型水印技术仅应用于医学图像、地理信息和计算机辅助设计(CAD)等数据中。这些工作大多集中在数字域正常运行期间的常规攻击，而3D内容的离线分布环境很少被考虑，因为3D打印过程，存在联机和离线两种情况下分发和处理的情况，就鲁棒性而言，3D打印对象对于3D模型水印具有新的要求。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，以解决现有3D模型内容不仅在互联网上非法复制，还在线下市场非法复制和重新分发，从而侵犯版权的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，包括以下步骤：S1、采用3D多边形网格M＝{V，E}作为输入覆盖原始模型，并对原始模型进行轴对齐的预处理；S2、采用水印密钥和伪随机生成器生成水印图案；S3、通过基于圆柱坐标中离散顶点的位置信息获取扩频水印算法，并采用水印图案对预处理后的原始模型进行水印嵌入；S4、对水印嵌入的原始模型进行模型重建以获得水印模型。作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述步骤S1中，采用3D多边形网格M＝{V，E}作为输入覆盖原始模型，并对原始模型进行轴对齐的预处理具体包括：S11、确定水印嵌入的z轴，并调整网格M的方向，其调整计算公式如下：其中，vi∈V和是旋转矩阵，并定义以下公式：其中，θ，是预定义打印方向的相对度，z轴为被确定为3D打印层的正交方向；S12、将vi＝(xi，yi，zi)作为顶点分类为具有与z轴值相等范围的L个不同的仓，预先计算z轴的最大和最小值，并分别由zmax，zmin表示，第L层Ll通过以下公式计算：Ll＝{vi|zmin+δz·l<zi<zmin+δz·(l+1)}(3)其中1≤l≤L,1≤i≤V,1≤j≤VI，vl表示属于Ll的顶点数，使用表示第l个仓的第j个顶点的符号v(l，j)代替vi∈L1，厚度δz由定义，其中的仓的数量为用户所选择的常数；S13、计算每个L的中心位置计算公式如下：通过中心位置cl对其顶点v(l，j)∈Ll的位置进行如下归一化处理，处理公式为：其中，表示第l层Ll的p，q，r阶次体积矩，每个点v(l，j)∈Ll为覆盖模型M的切片层，使得覆盖模型切成L层，每层的中心位置与z轴对齐。作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述步骤S2中所生成的水印图案为长度为lw的二进制水印图案。作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述步骤S3中扩频水印算法的水印信号Ψ被合成为扩频信号，而不改变频谱系数，水印信号Ψ嵌入每个圆柱顶点的半径ρ中，其公式如下所示：其中，信号Ψ由输入顶点的方位角的函数产生，水印信号Ψ由方位角的函数定义，并被加到圆柱坐标的径向距离中。作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述步骤S3中采用水印图案对预处理后的原始模型进行水印嵌入，具体实现步骤如下：步骤S31、将笛卡尔坐标中的向量vi＝(xi,yi,zi)转换成圆柱坐标其坐标函数如下：其中，步骤S32、采用水印图案进行水印嵌入，水印嵌入形式如下：其中，1≤i≤V，α(·)是描述的视觉掩蔽的函数；步骤S33、将扩频信号Ψ作为正弦信号合成为频域[fs+1，fs+lw]，合成公式如下所示：其中，fs是最小频带的值，而φi,l是不可感知的相位参数，得到V′＝{v′i}(i＝1,2，...)，V作为水印顶点的集合，其中作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述步骤S3中还包括以下步骤：采用基于表面粗糙度的视觉掩蔽法，以提高嵌入水印的不可视性。作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述采用基于表面粗糙度的视觉掩蔽法，以提高嵌入水印的不可视性具体包括：覆盖模型的粗糙区域以隐藏一些几何失真，使用覆盖模型M和顶点vi∈V，水印强度的函数α(vi)计算如下：α(vi)＝s·Υi·βi(10)其中，s，γi和βi分别是强度因子，粗糙度测量和平滑参数；使用基于对3D网格M的局部窗口的曲率分析，以测量表示为R(vi)的粗糙度，强度因子γi由每个局部区域i的平均粗糙度值决定，其计算公式为：其中，Ri是区域i的粗糙度，Rmean和Rmin表示整个网格的平均和最小粗糙度。作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述步骤S4中，对水印嵌入的原始模型进行模型重建以获得水印模型具体包括：将水印顶点的坐标v′i∈V′，转换为笛卡尔坐标(x′i,y′i,z′i)，其转换公式为：将v′i采用与上述方程(3)中的相同的方式分类为L个不同的仓，顶点x和y的位置函数如下：其中，和为公式(5)中计算的输入位置，通过计算，最终获得水印模型M′＝{V′，E}，其中E为原始模型的连通性信息的集合。本专利技术的基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法可以达到如下有益效果：本专利技术的基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，通过采用上述技术方案，使得其实现的水印具有应对恶劣环境的鲁棒性和不可视性，不仅使得3D模型内容在数字领域共享时得到保护，而且当3D数字内容通过3D打印转换为模拟内容时也能得到保护，该方案中，模型重建所获得水印模型作为打印的伪像，使用打印伪像的分析结果作为向水印检测器提供取向信息的模板进行打印和扫描的模型与原始方向同步；实验结果证实，该方法在3D打印扫描之后不会失去嵌入图案，特别是对于低成本打印机非常实用。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法提供的一实例的方法流程图；图2为一实例的的采样模型及其曲面顶点的样本；图3为无视觉掩蔽(MSDM2＝0.522)效果图；图4为有视觉掩蔽(MSDM2＝0.355)效果图；图5为图4的失真图。本专利技术目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合附图以及具体实施方式，对本专利技术做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本专利技术可实施的范围，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用3D多边形网格M＝{V，E}作为输入覆盖原始模型，并对原始模型进行轴对齐的预处理；S2、采用水印密钥和伪随机生成器生成水印图案；S3、通过基于圆柱坐标中离散顶点的位置信息获取扩频水印算法，并采用水印图案对预处理后的原始模型进行水印嵌入；S4、对水印嵌入的原始模型进行模型重建以获得水印模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用3D多边形网格M＝{V，E}作为输入覆盖原始模型，并对原始模型进行轴对齐的预处理；S2、采用水印密钥和伪随机生成器生成水印图案；S3、通过基于圆柱坐标中离散顶点的位置信息获取扩频水印算法，并采用水印图案对预处理后的原始模型进行水印嵌入；S4、对水印嵌入的原始模型进行模型重建以获得水印模型。2.根据权利要求1所述的基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用3D多边形网格M＝{V，E}作为输入覆盖原始模型，并对原始模型进行轴对齐的预处理具体包括：S11、确定水印嵌入的z轴，并调整网格M的方向，其调整计算公式如下：其中，vi∈V和是旋转矩阵，并定义以下公式：其中，θ，是预定义打印方向的相对度，z轴为被确定为3D打印层的正交方向；S12、将vi＝(xi，yi，zi)作为顶点分类为具有与z轴值相等范围的L个不同的仓，预先计算z轴的最大和最小值，并分别由zmax，zmin表示，第L层Ll通过以下公式计算：Ll＝{vi|zmin+δz·l<zi<zmin+δz·(l+1)}(3)其中1≤l≤L,1≤i≤V,1≤j≤VI，vl表示属于Ll的顶点数，使用表示第l个仓的第j个顶点的符号v(l，j)代替vi∈L1，厚度δz由定义，其中的仓的数量为用户所选择的常数；S13、计算每个L的中心位置计算公式如下：通过中心位置cl对其顶点v(l，j)∈Ll的位置进行如下归一化处理，处理公式为：其中，表示第l层Ll的p，q，r阶次体积矩，每个点v(l，j)∈Ll为覆盖模型M的切片层，使得覆盖模型切成L层，每层的中心位置与z轴对齐。3.根据权利要求2所述的基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，其特征在于，所述步骤S2中所生成的水印图案为长度为lw的二进制水印图案。4.根据权利要求3所述的基于分层伪像分析的3D网格盲水印生成方法，其特征在于，所述步骤S3中扩频水印算法的水印信号Ψ被合成为扩频信号，而不改变频谱系数，水印信号Ψ嵌入每个圆柱顶点的半径ρ中，其公式如下所示：其中，信号Ψ由输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贞，曾树，
申请(专利权)人：湖南师范大学，湖南赓续文脉文化传播有限公司，湖南上势智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43