专利名称：一种三维模型认证系统及其方法
一种三维模型认证系统及其方法
技术邻域
本发明涉及计算机科学领域，具体涉及一种三维模型认证系统和 方法。
背景技术：
随着互联网技术的迅速发展，越来越多的数字产品进入公开网络 环境。为对数字产品进行保护，数字水印技术应运而生，成为近年来
计算机科学领域研究的一个热点领域。在CAD、文物保护和三维动 画等领域，三维模型的来源是否合法往往至关重要，从而产生了如何 有效地对三维模型进行认证的问题。作为一种有效的解决方案，针对 三维模型的数字水印得到了越来越深入的研究。1997年Ohbuchi等 人提出了第一种三维模型水印算法至今，绝大部分水印算法属于稳健 水印，即水印能够在各种攻击下保持不被去除，这类水印算法通常用 来防止盗用等知识产权保护领域。用于来源认证的脆弱水印和半脆弱 水印的研究则相对较少，而且由于对于脆弱的定义不明确，使得算法 的性能难以评价和比较。但近年来也逐渐形成了半脆弱水印的应用背 景，即对模型压缩具备鲁棒性的半脆弱水印算法。
2005年，Pottmann和杨永亮等将积分不变量的概念从二维情况 推广到三维情况，并给出一些理论分析。这类不变量体现模型表面上 一个球形邻域(即邻域球)范围内的积分性质，所谓积分性质是与法 线、曲率等微分性质相对应的由积分式得到的统计特征。其中的两个 例子是球面不变量和体积不变量，球面不变量定义为邻域球在模型外 的部分的表面积，体积不变量定义为邻域球在模型外的部分的体积。 由积分不变量的定义不难发现，积分不变量具有向同性、邻域局部性 和噪声鲁棒等特点，具有可作为水印嵌入特征量的良好性质。但现有的积分不变量计算方法计算时间较长，而且误差较大，所以不适用于 三维模型水印领域。
发明内容
本发明的目的是提供 一种三维模型认证系统及其方法，用于识别 待测三维模型是否真实可靠，是否受到非法篡改。
为了达到以上发明目的，本发明提供了 一种三维模型认证方法，
所述三维模型认证方法包括步骤
Sl,对所要保护的三维模型嵌入水印；
S2 ，将所得嵌入后的三维模型发布到公开信道上形成待测模型； S3，检测待测模型是否满足极大条件以及水印图像是否完整来给 出认证结论。
其中，所述步骤S1包括
Sl-l，获取需要保护的三维模型；
S1-2,在所述三维模型的表面放置不相交的邻域球，釆用几何方
法计算所述邻域球处的积分不变量；
S1-3,在积分不变量的浮点数值中嵌入水印图像数据，得到积分 不变量更改后的值；
S1-4,根据积分不变量的原始值和更改后的值，采用几何方法移 动模型顶点；
Sl-5，保存更改后的三维模型，形成嵌入后的三维模型。 其中，所述步骤S3包括 S3-l，获取所述待测模型；
S3-2，在模型表面按照模型顶点顺序放置与之前保留的邻域球亙 不相交的邻域球，采用几何方法计算邻域球处的积分不变量并从所述 积分不变量中提取水印数据；
S3-3 ，如果提取水印数据成功则保留该邻域球并记录水印图像， 如果提取水印数据不成功则丢弃所述邻域球；S3-4，重复步骤S3-1-S3-3，直至模型所有顶点均被处理过； S3-5，如果模型表面没有放置更多邻域球的空间并且所述水印图 像完整，则得出三维模型未受攻击的认证结论。 其中，所述步骤S3-5之后还包括步骤
S3-6,如果模型表面没有放置更多邻域球的空间但是所述水印图 像不完整，则得出三维模型受到剪切攻击的认证结论；如果所述水印 图像完整但是模型表面有放置更多邻域球的空间，则得出三维模型受 到局部攻击的认证结论；如果模型表面有放置更多邻域球的空间而且 所述水印图像不完整，则得出三维模型受到大量攻击的认证结论。
其中，利用蜈群优化确定互不相交的邻域球的分布。
本发明还提供了 一种三维模型认证系统，所述认证系统包括
嵌入装置，获取需要保护的三维模型并对所要保护的三维模型嵌 入水印，形成嵌入后的待测三维模型；
认证装置，获取所述嵌入后的待测三维模型，提取水印数据，通 过检验待测模型以及水印图像给出待测三维模型的认证结论。
其中，所述嵌入装置包括-.
第一获取单元，获取所要保护的三维模型；
第一计算单元，在模型表面放置不相交的邻域球，利用几何方法
计算模型表面放置邻域球处的积分不变量，并在积分不变量的浮点数 值中嵌入水印图像数据；
移动单元，根据积分不变量的原始值和更改后的值，釆用几何方
法移动模型顶点；\
保存单元，保存吏改后的三维模型，形成嵌入后的三维模型。 其中，所述认证装置包括
第二获取单元，获取所述待测模型，并在模型表面按照模型顶点 顺序放置与之前保留的邻域球互不相交的邻域球；
第二计算单元，釆用几何方法计算邻域球处的积分不变量；提取单元，从所述积分不变量中提取水印数据，如果提取水印数 据成功则保留该邻域球并记录水印图像，如果提取水印数据不成功则 丟弃所述邻域球；
判断单元，判断所述模型表面以及所提取的水印图像，如果模型
表面没有放置更多邻域球的空间并且所述水印图像完整，则得出三维 模型未受攻击的认证结论，如果模型表面没有放置更多邻域球的空间 但是所述水印图像不完整，则得出三维模型受到剪切攻击的认证结
论；如果所述水印图像完整但是模型表面有放置更多邻域球的空间， 则得出三维模型受到局部攻击的认证结论；如果模型表面有放置更多 邻域球的空间而且所述水印图像不完整，则得出三维模型受到大量攻 击的认证结论。
本发明所提供的三维认证系统和方法，引入具有各向同性、邻域 局部性和噪声鲁棒的三维模型表面特征量和积分不变量，适合设计实 现需要对噪声攻击较鲁棒的三维模型认证系统，采用几何方法计算积 分不变量，既缩短了计算时间，又使得计算误差可控且便于进行设定， 克服了原有积分不变量计算时间较长，计算误差较大的问题。此外， 本发明通过修改球面不变量和体积不变量两种积分不变量的值达到 水印嵌入目的，比较精确地给出了通过移动模型顶点设定两种积分不 变量的方法。通过蚁群算法优化邻域球放置的位置，在保证它们互不 相交的情况下，尽量在模型表面放置更多的邻域球，提高了原算法的 嵌入容量；又通过匈牙利算法优化嵌入的水印数据块和邻域球之间的 对应关系，提高了原算法的不可见性。
图l为本发明的三维模型认证方法流程示意图； 图2为本发明的的三维模型认证系统及方法所用的判别表； 图3为本发明中计算积分不变量的方法说明示意图； 图4为本发明中移动顶点设定积分不变量的方法说明示意图；图5为本发明中求出互不相交的邻域球的效果图6为本发明中水印图像的数据块与邻域球的对应关系示意图； 图7为本发明的输入数据和输出结果的效果图。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 如图l所示为本发明所提供的三维模型认证方法流程示意图。本 发明所提供的方法主要包括以下步骤Sl，对所要保护的三维模型嵌 入水印；S2，将所得嵌入后的三维模型发布到公开信道上形成待测模 型；S3，检测待测模型是否满足极大条件以及水印图像是否完整来给 出认证结论。
其中所述"S1，对所要保护的三维模型嵌入水印"的步骤具体包 括Sl-l，获取需要保护的三维模型；S1-2,在所述三维模型的表 面放置不相交的邻域球，釆用几何方法计算所述邻域球处的积分不变 量；Sl-3，在积分不变量的浮点数值中嵌入水印图像数据，得到积分 不变量更改后的值；Sl-4，根据积分不变量的原始值和更改后的值，
采用几何方法移动模型顶点；S1-5,保存更改后的三维模型，形成嵌
入后的三维模M:。，
其中，所述"S3，检测待测模型是否满足极大条件以及水印图像 是否完整来给出认证结论"具体包括S3-1,获取所述待测模型； S3-2,在模型表面按照模型顶点顺序放置与之前保留的邻域球互不相 交的邻域球，采用几何方法计算邻域球处的积分不变量并从所述积分 不变量中提取水印数据；S3-3,如果提取水印数据成功则保留该邻域 球并记录水印图像，如果提取水印数据不成功则丢弃所述邻域球； S3-4，重复步骤S3-1-S3-3，直至模型所有顶点均被处理过；S3-5， 如果模型表面没有放置更多邻域球的空间并且所述水印图像完整，则 得出三维模型未受攻击的认证结论。其中，所述步骤S3-5之后还包 括步骤S3-6,如果模型表面没有放置更多邻域球的空间但是所述水印图像不完整，则得出三维模型受到剪切攻击的认证结论；如果所述 水印图像完整但模型表面有放置更多邻域球的空间，则得出三维模型
受到局部攻击的认证结论；如果模型表面有放置更多邻域球的空间而
且所述水印图像不完整，则得出三维模型受到大量攻击的认证结论。 其中，利用蚁群优化确定互不相交的邻域球的分布。
本发明还提供了一种三维模型认证系统，所述认证系统包括嵌 入装置，获取需要保护的三维模型并对所要保护的三维模型嵌入水 印，形成嵌入后的待测三维模型；以及认证装置，获取所述嵌入后的 待测三维模型，提取水印数据，通过检验待测模型以及水印图像给出 待测三维模型的认证结论。
其中，所述嵌入装置包括第一获取单元，获取所要保护的三维模 型；第一计算单元，在模型表面放置不相交的邻域球，利用几何方法
计算模型表面放置邻域球处的积分不变量，并在积分不变量的浮点数 值中嵌入水印图像数据；移动单元，根据积分不变量的原始值和更改 后的值，釆用几何方法移动模型顶点；以及保存单元，保存更改后的 三维模型，形成嵌入后的三维模型。
其中，所述认证装置包括第二获取单元，获取所述待测模型，并 在模型表面按照模型顶点顺序放置与之前保留的邻域球互不相交的 邻域球；第二计算单元，釆用几何方法计算邻域球处的积分不变量； 提取单元，从所述积分不变量中提取水印数据，如果提取水印数据成 功则保留该邻域球并记录水印图像，如果提取水印数据不成功则丢弃 所述邻域球；以及判断单元，判断所述模型表面以及所提取的水印图 像，如果模型表面没有放置更多邻域球的空间并且所述水印图像完 整，则得出三维模型未受攻击的认证结论，如果模型表面没有放置更 多邻域球的空间但是所述水印图像不完整，则得出三维模型受到剪切 攻击的认证结论；如果所述水印图像完整但是模型表面有放置更多邻 域球的空间，则得出三维模型受到局部攻击的认证结论；如果模型表面有放置更多邻域球的空间而且所述水印图像不完整，则得出三维模 型受到大量攻击的认证结论。
如图2所述为本发明的三维模型认证系统及方法所用的判别表。 在认证步骤最后，三维模型表面放置了若干邻域球，如果待测模型就 是嵌入步骤得到的模型，则这些邻域球应满足极大条件，即模型表面 再没有放置更多邻域球的空间；另外还得到了 一幅提取出的水印图 像，如果待测模型就是嵌入步骤得到的模型，则这幅图像应满足完整 条件，即水印图像完整无损。于是，在进行认证判断时，通过提取结 果是否满足极大条件和(或)完整条件可以给出认证判断。如果模型 表面没有放置更多邻域球的空间并且所述水印图像完整，则得出三维
模型未受攻击的认证结论；如果模型表面没有放置更多邻域球的空间
但是所述水印图像不完整，则得出三维模型受到剪切攻击的认证结
论；如果所述水印图像完整但模型表面有放置更多邻域球的空间，则 得出三维模型受到局部攻击的认证结论；如果模型表面有放置更多邻 域球的空间而且所述水印图像不完整，则得出三维模型受到大量攻击 的认证结论。
如图3所示为本发明中计算积分不变量的方法说明。由于模型表 面由网格表示，对于球面不变量，本发明将其对应的球面区域近似为 球面多边形，并通过球面多边形面积公式进行计算。图中则示意了体 积不变量的计算过程，由于三维效果图不易清楚表达，这里给出的是 二维示意图左上部分中将已经计算得到的球面不变量乘以球半径的 三分之一，得到阴影部分的体积；右上表示要求出体积不变量，还需 要加上"+ "部分的体积并减去"-"部分的体积，这是不易直接求 出的；但本发明将其转化为加上或减去左下部分中"+ "或"-"部 分的体积，这些部分是模型表面的三角面片与球心所组成的锥体，体 积容易求出；要注意的是，在右下部分所示的球面附近需要进行一定 的特殊处理，这些锥体可能是三角面片的一部分与球心所组成的锥体。
图4为本发明中移动顶点设定积分不变量的方法说明。图中上半 部分为设定球面不变量的过程。本发明将球面不变量所对应的球面上 的区域近似为多个小扇形球冠的组合，由于球冠表面积仅与球半径和 球冠的高度相关，对球面不变量的设定可以通过将所有与球面相交的 点上下移动一定的高度完成。图中下半部分为设定体积不变量的过 程。本发明将球内部不再球面周围的点沿球心的法向量方向移动，这 样每个点移动A h时对体积不变量造成的影响是 一 些三棱锥体积的 和。而不同顶点都沿同一方向移动时，对体积不变量造成的影响是不 会互相影响的，从而形成了一个线性系统。通过求解这一线性系统就 可以达到设定体积不变量的目的。
图5为本发明中求出互不相交的邻域球的效果图。图中左半部分 为传统的索引式算法流程的嵌入位置，模型表面的圆表示嵌入位置， 从中可以看出，嵌入位置之间有较大的空隙，但却并不能放置更多的 邻域球进行嵌入。图中右半部分为本发明通过蚁群算法优化后得到的 嵌入位置，可以看出，可以嵌入的邻域球数量明显增加，从而提高了 嵌入容量。蚁群算法所使用的启发信息为，每次尽量寻找一个与备选 邻域球相交最少的邻域球。
图6为本发明中水印图像的数据块与邻域球的对应关系示意图。 图中左列是水印信息被分成的各个小块，右列是邻域球单元。每个水 印信息小块都可以嵌入到任意的邻域球单元中，因此形成了一个完整 的二分图。其中的每条边有一个权值，表示某个水印信息小块嵌入到 某个邻域球中时对不可见性造成的影响。本发明中的嵌入步骤试图通 过选择这些边的对应关系找到 一种对不可见性总体影响最小的嵌入 方案。这里，本发明使用了匈牙利算法求解这一问题，可以满足寻找 嵌入方案的目的。
图7为本发明的输入数据和输出结果的效果图。图中上半部分的第一列是输入给嵌入装置的原始模型数据，第二列是嵌入装置输出的 嵌入后的模型，第三列是将前两列的模型叠加的三维效果图。从图中 可以发现，如果不人为的把两个模型叠加在一起，嵌入后的模型和原 始模型之间的差异是很难发现的，证明了本发明具有良好的不可见 性，这是作为认证系统的基础条件之一。图中中半部分的第一行是输 入给认证装置的待测模型，第二行给出了待测模型的顶点数占原始模 型顶点数的比例，第三行是认证装置提取出的水印图像。从图中可以 发现，即使模型被进行了大幅的剪切，仍能够给出正确的来源认证信 息。图中下半部分给出了嵌入后的模型受到了噪声攻击后的效果比 较，其中O曲线代表本发明的结果，+曲线代表利用小波分析的结果， x曲线代表TSQ的结果，可以看出本发明的对噪声具有更好的鲁棒 性。如图7所示，本领域技术人员可以看到，本发明的优点是能够对 剪切攻击和噪声攻击鲁棒地对三维模型进行认证，而且具有良好的不 可见性。
以上实施方式仅用于说明本发明，两并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范 畴，本发明的专利保护范围应由其权利要求限定。
权利要求
1、一种三维模型认证方法，其特征在于，所述三维模型认证方法包括步骤S1，对所要保护的三维模型嵌入水印；S2，将所得嵌入后的三维模型发布到公开信道上形成待测模型；S3，检测待测模型是否满足极大条件以及水印图像是否完整来给出认证结论。
2、 如权利要求1所述的三维模型认证方法，其特征在于，所述 步骤S1包括Sl-l，获取需要保护的三维模型；Sl-2，在所述三维模型的表面放置不相交的邻域球，釆用几何方 法计算所述邻域球处的积分不变量；S1-3,在积分不变量的浮点数值中嵌入水印图像数据，得到积分 不变量更改后的值；Sl-4，根揚积分不变量的原始值和更改后的值，釆用几何方法移 动模型顶点；S1-5,保存更改后的三维模型，形成嵌入后的三维模型。
3、 如权利要求1所述的三维模型认证方法，其特征在于，所述 步骤S3包括S3-l，获取所述待测模型；S3-2，在模型表面按照模型顶点顺序放置与之前保留的邻域球互 不相交的邻域球，釆用几何方法计算邻域球处的积分不变量并从所述 积分不变量中提取水印数据；S3-3，如果提取水印数据成功则保留该邻域球并记录水印图像，如果提取水印数据不成功则丢弃所述邻域球；S3-4，重复步骤S3-1-S3-3,直至模型所有顶点均被处理过； S3-5,如果模型表面没有放置更多邻域球的空间并且所述水印图像完整，则得出三维模型未受攻击的认证结论。
4、 如权利要求3所述的三维模型认证方法，其特征在于，所述步骤S3-5之后还包括步骤S3-6，如果模型表面没有放置更多邻域球的空间但是所述水印图 像不完整，则得出三维模型受到剪切攻击的认证结论；如果所述水印 图像完整但是模型表面有放置更多邻域球的空间，则得出三维模型受 到局部攻击的认证结论；如果模型表面有放置更多邻域球的空间而且 所述水印图像不完整，则得出三维模型受到大量攻击的认证结论。
5、 如权利要求3或4中所述的三维模型认证方法，其特征在于， 利用蚁群优化确定互不相交的邻域球的分布。
6、 一种三维模型认证系统，其特征在于，所述认证系统包括 嵌入装置，获取需要保护的三维模型并对所要保护的三维模型嵌入水印，形成嵌入后的待测三维模型;认证装置，获取所述嵌入后的待测三维模型，提取水印数据，通 过检验待测模型以及水印图像给出待测三维模型的认证结论。
7、 如权利要求6所述的三维模型认证系统，其特征在于，所述嵌入装置包括.-第一获取单元，获取所要保护的三维模型；第一计算单元，在模型表面放置不相交的邻域球，利用几何方法 计算模型表面放置邻域球处的积分不变量，并在积分不变量的浮点数 值中嵌入水印图像数据；移动单元，根据积分不变量的原始值和更改后的值，釆用几何方 法移动模型顶点；保存单元，保存更改后的三维模型，形成嵌入后的三维模型。
8、 如权利要求6所述的三维模型认证系统，其特征在于，所述 认证装置包括第二获取单元，获取所述待测模型，并在模型表面按照模型顶点顺序放置与之前保留的邻域球互不相交的邻域球；第二计算单元，釆用几何方法计算邻域球处的积分不变量；提取单元，从所述积分不变量中提取水印数据，如果提取水印数 据成功则保留该邻域球并记录水印图像，如果提取水印数据不成功则丢弃所述邻域球；判断单元，判断所述模型表面以及所提取的水印图像，如果模型 表面没有放置更多邻域球的空间并且所述水印图像完整，则得出三维 模型未受攻击的认证结论，如果模型表面没有放置更多邻域球的空间 但是所述水印图像不完整，则得出三维模型受到剪切攻击的认证结论；如果所述水印图像完整但是模型表面有放置更多邻域球的空间， 则得出三维模型受到局部攻击的认证结论；如果模型表面有放置更多 邻域球的空间而且所述水印图像不完整，则得出三维模型受到大量攻 击的认证结论。
全文摘要
本发明涉及一种三维模型认证系统及其方法。所述方法包括步骤S1，对所要保护的三维模型嵌入水印；S2，将所得嵌入后的三维模型发布到公开信道上形成待测模型；S3，检测待测模型是否满足极大条件以及水印图像是否完整来给出认证结论。采用几何方法计算积分不变量，既缩短了计算时间，又使得计算误差可控且便于进行设定，克服了原有积分不变量计算时间较长，计算误差较大的问题。
文档编号G06T17/00GK101419703SQ200810239480
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月11日 优先权日2008年12月11日
发明者王瑀屏, 胡事民, 哲 边 申请人:清华大学