數(shù)字博物館3D模型水印攻擊方法研究

周達(dá)希，曾菁，張亞娜，史萍

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

數(shù)字博物館3D模型水印攻擊方法研究

周達(dá)希，曾菁，張亞娜，史萍

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

3D模型數(shù)字水印技術(shù)是繼圖像水印、視頻水印之后的又一種版權(quán)保護(hù)的有效手段，為數(shù)字博物館的健康發(fā)展提供了重要的安全保證。本文主要研究分析了數(shù)字博物館中3D模型可能經(jīng)歷的各種處理，進(jìn)行了水印攻擊方法的仿真實(shí)現(xiàn)，并將其整合到數(shù)字博物館3D模型水印評測工具中，為博物館3D模型水印技術(shù)的研究提供重要的評測依據(jù)。

3D模型水印;攻擊方法;魯棒性;數(shù)字博物館

1 引言

隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步和Internet的普及，數(shù)字博物館有效解決了傳統(tǒng)博物館豐富的展品與有限的展覽空間、時(shí)間的矛盾。除了傳統(tǒng)的二維影像，展品的3D模型記錄了文物的三維信息和紋理信息，更直觀更生動(dòng)得再現(xiàn)了文物的真實(shí)面貌，同時(shí)也為文物修繕和恢復(fù)提供了重要的數(shù)據(jù)和模型支持。另一方面，數(shù)字文物面臨著通過網(wǎng)絡(luò)隨意獲取、復(fù)制、交換、篡改和再版等眾多版權(quán)糾紛問題。尤為突出的是數(shù)字文物的印刷盜版品帶來的巨大利潤，使得3D模型的版權(quán)保護(hù)迫在眉急。3D模型數(shù)字水印技術(shù)是繼圖像水印、視頻水印之后的又一種版權(quán)保護(hù)的有效手段，為數(shù)字博物館的健康發(fā)展提供了重要的安全保證。

3D模型水印技術(shù)是通過一定的算法將博物館水印信息(包括版權(quán)信息和描述信息［1］)嵌入到3D模型中，但不影響原內(nèi)容的使用和操作。優(yōu)秀的水印算法在保證水印嵌入后模型沒有明顯感知降質(zhì)的前提下，對各種常規(guī)的數(shù)據(jù)處理甚至惡意的攻擊，仍能保持水印檢測的有效性和準(zhǔn)確性。因此，水印感知度和魯棒性是衡量水印算法優(yōu)劣的兩個(gè)重要參數(shù)。水印攻擊方法的研究有助于有針對性地設(shè)計(jì)和優(yōu)化各種水印算法，提高水印的魯棒性以適應(yīng)各自的應(yīng)用場合。本文主要研究分析了數(shù)字博物館中3D模型可能經(jīng)歷的各種處理，進(jìn)行了水印攻擊方法的仿真實(shí)現(xiàn)，并將其整合到數(shù)字博物館3D模型水印評測工具中，為博物館3D模型水印技術(shù)的研究提供重要的評測依據(jù)。

2 博物館3D模型水印攻擊方法

水印作品在存儲(chǔ)、發(fā)布、傳輸?shù)冗^程中會(huì)引入各種失真(常規(guī)處理)，而人們出于巨額利潤的追求在盜版水印作品時(shí)會(huì)千方百計(jì)去除水印信息(惡意攻擊)。在數(shù)字博物館中，3D模型水印所需抵抗的攻擊主要分為以下幾大類，見圖1。

圖1 博物館3D模型水印攻擊方法分類

2.1 幾何攻擊

·相似變換(Similarity Transformation)

相似變換包括平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。這種類型的操作是通過改變網(wǎng)格模型的方向、位置或者模型比例大小使水印能量分散，位置改變，造成水印檢測器無法工作，找不到正確的水印位置。因此，3D模型水印需要對沿任意軸的平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、尺度變換具有魯棒性。這種變換區(qū)別于視圖上對模型進(jìn)行的平移、放縮和旋轉(zhuǎn)。后者只是改變用戶的觀察視角，對模型數(shù)據(jù)本身無影響。

·矢量剪切(Cropping)

矢量剪切是判斷模型數(shù)據(jù)中的各點(diǎn)分別屬于剪切面的哪一側(cè)，保留其中一側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，舍棄另一側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后求出剪切面與保留圖形的交點(diǎn)，并將這些交點(diǎn)按照圖形的拓?fù)潢P(guān)系形成相應(yīng)的填充區(qū)。矢量剪切主要通過移除或改變水印信息而使其失效。

2.2 拓?fù)涔?/h3>

·細(xì)分(Subdivision)

網(wǎng)格細(xì)分是從被稱為控制網(wǎng)格的多面體開始，以網(wǎng)格上某幾個(gè)頂點(diǎn)的加權(quán)平均作為下一細(xì)分級網(wǎng)格上的頂點(diǎn)坐標(biāo)值，建立新舊頂點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系，不斷遞歸計(jì)算，得到新的頂點(diǎn)，逼近極限形狀。模型的頂點(diǎn)連接方式發(fā)生變化，拓?fù)湫畔l(fā)生改變，嵌入其中的水印信息就會(huì)受到損傷。根據(jù)新頂點(diǎn)不同的計(jì)算方法，細(xì)分模式主要包括 Catmull-Clark［2］，Loop［3］，Doo-Sabin［4］和 Butterfly［5］等。

·簡化(Simplification)

復(fù)雜的模型對計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量、處理速度、繪制速度、傳輸效率等都提出了很高的要求。在很多情況下，高分辨率的模型并不總是必要的，用戶可能會(huì)用一些相對簡單的模型來代替復(fù)雜模型。簡化原理是在保持模型幾何形狀不變的前提下通過減少頂點(diǎn)、邊、面數(shù)目來達(dá)到簡化目的。簡化會(huì)造成塊內(nèi)頂點(diǎn)的缺失，目前使用較多的有頂點(diǎn)刪除法、邊折疊法、三角形折疊簡化算法等［6］。

2.3 信號(hào)處理

·加噪(Add Noise)

加噪是將隨機(jī)噪聲添加到網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)，使得模型表面生成很多噪點(diǎn)。這種攻擊方法對基于幾何信息的水印嵌入算法具有較強(qiáng)的破壞力。

·平滑(Smoothing)

平滑處理可以將其看成是對原模型數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，使模型尖銳粗糙的表面變得柔和平緩。對3D模型進(jìn)行光滑形狀或紋理映射時(shí)，平滑處理通過修改網(wǎng)格頂點(diǎn)的坐標(biāo)使嵌在模型中的水印無效。目前幾類主流平滑算法主要有兩大類。一類是通過將網(wǎng)格頂點(diǎn)移動(dòng)到其鄰域頂點(diǎn)的加權(quán)和處進(jìn)行平滑操作，包括 Laplacian 平滑算法［7］和 Taubin［8］算法。另一類是Desbrun等［9］提出的Curvature平滑算法，將網(wǎng)格頂點(diǎn)沿其法向量方向以平均曲率的大小移動(dòng)來調(diào)整網(wǎng)格頂點(diǎn)。

·量化(Quantization)

量化通常是有損壓縮的前期處理工作，是對模型所有點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行量化，把連續(xù)的坐標(biāo)值離散化，量化噪聲破壞了嵌在3D模型中的水印信息。

·壓縮(Compression)

博物館3D模型的龐大數(shù)據(jù)量對現(xiàn)有三維圖形引擎的處理能力和速度、網(wǎng)絡(luò)帶寬提出挑戰(zhàn)。而且頂點(diǎn)的位置坐標(biāo)一般以單精度的浮點(diǎn)數(shù)形式存放，從人類視覺系統(tǒng)看并不需要這樣高的精度表示。因此，壓縮是3D模型需經(jīng)歷的重要處理之一，基于幾何信息壓縮的 Kd-tree［10］和 Octree［11］的編碼方式成為研究熱點(diǎn)。對文件數(shù)據(jù)的壓縮是一種有損壓縮，對水印信息具有一定的破壞力。

2.4 文件變換

·屏幕拷貝(Print Screen)

博物館3D模型在互聯(lián)網(wǎng)傳播過程中有時(shí)可能只需為用戶提供模型某一角度的顯示效果，而不需其立體展示或交互功能。而且二維圖像的印刷盜版是目前博物館領(lǐng)域的主要盜版方式之一。因此，從三維立體模型到二維圖像的轉(zhuǎn)換成為了3D模型水印的重要抗攻擊種類。3D模型的屏幕拷貝是直接讀取模型展示視圖上的像素并保存為二維圖像格式。由于它不直接對實(shí)際的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，因而現(xiàn)有的3D模型水印算法對其免疫力極低。

·重排(Element Reordering)

模型文件(如off格式)由表示點(diǎn)坐標(biāo)的行、表示面的邊數(shù)和面包含的點(diǎn)的索引構(gòu)成。文件數(shù)據(jù)組織方式不影響網(wǎng)格模型的幾何信息和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。重排是對文件數(shù)據(jù)組織方式進(jìn)行的調(diào)整，重新排列行的順序。這種攻擊可以使通過置換網(wǎng)格中頂點(diǎn)或面的順序嵌入水印的完全置換算法和部分置換算法，水印的嵌入與檢測的同步性遭到破壞。

3 攻擊仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在對博物館3D模型水印攻擊方法進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，本文基于Visual C++、CGAL開源圖形庫［12］和OpenGL通用圖形軟件開發(fā)包實(shí)現(xiàn)了3D模型水印攻擊仿真系統(tǒng)，為數(shù)字博物館3D模型水印評測工具的開發(fā)提供技術(shù)支持。本系統(tǒng)共分四大模塊，包括系統(tǒng)接口模塊、用戶功能模塊、攻擊仿真模塊、互動(dòng)展示模塊，如圖2所示。

圖2 3D模型水印攻擊仿真系統(tǒng)框架

作為系統(tǒng)核心部分的攻擊仿真模塊實(shí)現(xiàn)了上述10種博物館3D模型水印攻擊方法，包括加噪、平滑、量化、相似變換、細(xì)分、剪切、簡化、壓縮、重排和屏幕拷貝。系統(tǒng)接口模塊主要負(fù)責(zé)3D模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和存儲(chǔ)，以及同水印檢測模塊、魯棒性評測模塊的數(shù)據(jù)交換。用戶功能模塊主要負(fù)責(zé)攻擊種類、攻擊模式和攻擊強(qiáng)度的設(shè)定?；?dòng)展示模塊主要負(fù)責(zé)3D模型的立體展示，包括以點(diǎn)云、棱線或表面方式進(jìn)行模型展示，以及用戶交互操作，包括通過鼠標(biāo)或鍵盤實(shí)現(xiàn)基于視圖的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。圖3給出了本攻擊仿真系統(tǒng)的界面。

圖3 3D模型水印攻擊仿真系統(tǒng)界面

4 結(jié)論和展望

博物館是一個(gè)國家文明發(fā)展程度的重要標(biāo)志，博物館的數(shù)字化展示與版權(quán)保護(hù)是博物館發(fā)展歷程中必需并肩進(jìn)行的兩項(xiàng)重要工程。隨著技術(shù)的成熟，3D模型數(shù)字水印有望在博物館數(shù)字版權(quán)保護(hù)中起到舉足輕重的作用。本文以數(shù)字博物館為背景，對3D模型水印攻擊方法進(jìn)行分類分析和仿真實(shí)現(xiàn)，為3D模型水印評測工具的開發(fā)提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為博物館數(shù)字水印評測標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

［1］陳冉，張亞娜，趙志軍.博物館數(shù)字圖像水印性能需求分析［J］.計(jì)算機(jī)工程(增刊)，2011，04.

［2］Catmull E，Clark J.Recursively Generated BSpline Surfaces on Arbitrary Topological Meshes［J］.Computer Aided Design，1978，10(6):350-355.

［3］Loop C Smootb.Subdivision Surfaces Based on Triangles［D］.University of Utah，Department of Mathematics，1987.33-54.

［4］Doo D，Sabin M.Analysis of the Behaviour of Recursive Division Surfaces near Extranrdinary Points［J］.Computer Aided Design，1978，10(6):356-360.

［5］Dyn N，Levin D，Gregory J A.A Butterfly Subdivision Scheme for Surface Interpolation with Tension Control［J］.ACM Trans Gr，1990，9(2):160-169.

［6］何暉光，田捷，張曉鵬，等.網(wǎng)格模型化簡綜述［J］.軟件學(xué)報(bào)，2002，13(12):2215-2224.

［7］David A Field.Laplacian smoothing and Delaunnay triangulations［J］.Communications and Applied Numerical Methods，1988，4(6):709-712.

［8］Uwe F Mayer.Numerical solutions for the surface diffusion flow in three space dimensions［EB/OL］.http://www.mathlutah.eduP ～mayerPmathPMayer07.pdf.2001.

［9］Taubin G，Kobbelt L.Geometric signal processing on large polygonal meshes［A］.In:Computer Graphics proceedings，Annual Conference Series，ACM SIGGRAPH，Los Angeles，California，2001，Course 17.

［10］Bentley J L.Multidimensicnal binary seach trees wed forassociative seorching［J］.Communi cations of the ACM，1975，18(9):509-517.

［11］Henning Eberhardt，Vesa Klumpp，Uwe D Hanebeck.Density Trees for Efficient Nonlinear State Estimation［R］.Proceedings of the 13th International Conference on Information Fusion，Edinburgh，United Kingdom，July，2010.

［12］Computational Geometry Algorithms Library［EB/OL］.http://www.cgal.org/.

Research of Attacking Methods to 3D Watermark in Digital Museums

ZHOU Da-xi，ZENG Jing，ZHANG Ya-na，SHI Ping
(School of Information Engineering，Communication University of China，Beijing100024，China)

3D model watermarking technique is a kind of effective means of copyright protection following image watermark and video watermark，providing security assurance for the development of digital museums.This paper mainly analyzed attacking methods to 3D watermark in digital museums by classification and simulation.And those have been intergrated into 3D model watermarking evaluation system of digital museums.

3D model watermarking;attacking methods;robustness;digital museum

TP309.2

A

1673-4793(2012)01-0049-04

2011-07-12

科技部文化部國家軟科學(xué)研究計(jì)劃合作項(xiàng)目“基于數(shù)字博物館的數(shù)字水印評測規(guī)范研究”(HG0917)

周達(dá)希(1990-)，女(漢族)，湖南永州人，中國傳媒大學(xué)2011級碩士研究生.E-mail:zhoudaxi@cuc.edu.cn

book=52,ebook=313

(責(zé)任編輯

:王 謙)