三維動(dòng)畫變換域數(shù)字水印算法研究

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，形式多樣的動(dòng)漫作品也逐漸成為了信息時(shí)代炙手可熱的產(chǎn)物，其中三維動(dòng)畫因其真實(shí)的虛擬再現(xiàn)能力，成為了動(dòng)漫行業(yè)研究的焦點(diǎn)。與此同時(shí)，三維動(dòng)畫作品的版權(quán)保護(hù)問題也成為了亟待解決的首要問題。本文從版權(quán)問題考慮，設(shè)計(jì)一種基于三維DWT-DCT變換的三維動(dòng)畫的水印算法。

關(guān)鍵詞：三維動(dòng)畫 變換域；數(shù)字水?。霍敯粜?；抗幾何攻擊

中圖分類號(hào)：TP309.7

研究三維動(dòng)畫數(shù)字水印算法，首先要了解三維動(dòng)畫的特點(diǎn)，根據(jù)三維動(dòng)畫的特點(diǎn)，結(jié)合各種數(shù)學(xué)變換設(shè)計(jì)出適合三維動(dòng)畫的數(shù)字水印算法。本文設(shè)計(jì)了一種基于三維DWT-DCT變換的三維動(dòng)畫的水印算法。

1 三維動(dòng)畫的特點(diǎn)

三維動(dòng)畫的制作主要有經(jīng)過以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：前期準(zhǔn)備工作（完成動(dòng)態(tài)分鏡頭腳本制作）、建立3D模型、三維動(dòng)畫效果雛形制作、制作三維模型的貼圖和材質(zhì)、為模型添加骨骼和蒙皮，制作動(dòng)態(tài)效果、三維動(dòng)畫燈光和特效制作、三維動(dòng)畫渲染輸出、后期配樂和剪輯。仔細(xì)研究三維動(dòng)畫制作過程，三維動(dòng)畫的盜版侵權(quán)行為多出現(xiàn)在貼圖材質(zhì)、渲染輸出圖像序列和后期合成的視頻成品三個(gè)環(huán)節(jié)。

目前針對(duì)三維動(dòng)畫后期合成視頻的盜版侵權(quán)問題在很多著作中已經(jīng)做了相關(guān)討論，但是，三維動(dòng)畫的版權(quán)保護(hù)不只是最終視頻歸屬問題。通過大量視頻數(shù)字水印算法的研究法發(fā)現(xiàn)，視頻在進(jìn)行數(shù)字水印保護(hù)前同樣需要將視頻分割成不同的鏡頭，再將鏡頭根據(jù)相應(yīng)的方法分解出一個(gè)個(gè)的關(guān)鍵幀，然后將關(guān)鍵幀處理為視頻體數(shù)據(jù)，最后從視頻體數(shù)據(jù)中得到視頻特征向量后再進(jìn)行水印相關(guān)算法的添加，這種想法把保護(hù)的重點(diǎn)放在最終的視頻成果，忽略了三維動(dòng)畫制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以視頻水印算法更適合于錄制拍攝的視頻文件，而對(duì)三維動(dòng)畫制作的關(guān)鍵成果保護(hù)程度不夠，但對(duì)于三維動(dòng)畫的數(shù)字水印保護(hù)有很大的借鑒意義。

2 三維動(dòng)畫數(shù)字水印算法實(shí)現(xiàn)

三維動(dòng)畫作品的版權(quán)保護(hù)重點(diǎn)在于貼圖和渲染輸出的眾多序列，結(jié)合三維動(dòng)畫的特點(diǎn)和制作原理，本文提出了一種基于DWT-DCT變換的數(shù)字水印算法。

2.1 算法設(shè)計(jì)

本算法選擇二值圖像作為數(shù)字水印信息嵌入到三維動(dòng)畫文件中。我們首先將三維動(dòng)畫圖像序列首先進(jìn)行三維DWT變換，然后對(duì)其近似系數(shù)再進(jìn)行DCT變換，然后將正系數(shù)用“1”表示，負(fù)系數(shù)和零用“0”表示，由此我們就可以得到圖像序列的一個(gè)二值的特征向量。當(dāng)三維圖像序列數(shù)據(jù)經(jīng)過各種幾何攻擊后，同樣用上述方法分別提取受到幾何攻擊后的特征向量，然后通過計(jì)算三維圖像序列在經(jīng)受幾何攻擊前后的特征向量的歸一化相關(guān)系數(shù)，確定此方法找到的特征向量是否能夠體現(xiàn)三維圖像序列的特征。

2.1.1 數(shù)字水印的嵌入

第1步：首先從渲染輸出的幾千幅圖像序列中選擇關(guān)鍵幀圖像，然后將這些圖像進(jìn)行預(yù)處理，并在時(shí)間軸方向上疊加成三維圖像數(shù)據(jù)，記為F（i，j，k）；然后對(duì)三維圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)F（i，j，k）進(jìn)行三維DWT變換，得到系數(shù)矩陣Ca_Cd（i，j，k）；接著使Ca（i，j，k）這個(gè)近似系數(shù)作全局DCT變換以獲得DF（i，j，k）這個(gè)系數(shù)矩陣；取出低中頻系數(shù)的前L個(gè)值，并通過對(duì)DF（i，j，k）系數(shù)進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算得到該三維圖像數(shù)據(jù)的一個(gè) V（j），具體做法是當(dāng)DCT系數(shù)為正時(shí)用“1”表示，系數(shù)為負(fù)或零時(shí)用“0”表示。

第2步：根據(jù)要嵌入的水印W（j）和已提取的三維圖像數(shù)據(jù)的特征向量V（j），利用哈希函數(shù)，生成二值邏輯序列Key（j）。

第3步：保存密鑰Key（j），在提取水印時(shí)使用。通過將密鑰Key（j）向第三方申請(qǐng)版權(quán)保護(hù)，確定三維動(dòng)畫的所有權(quán)歸屬。

在該水印嵌入算法中，水印信息并沒有嵌入到三維圖像數(shù)據(jù)當(dāng)中，是一種零水印嵌入，這將不會(huì)影響三維動(dòng)畫最終合成的質(zhì)量。

2.1.2 數(shù)字水印的提取

第1步：選擇同樣的三維動(dòng)畫渲染輸出的圖像序列或需檢測(cè)視頻文件（需檢測(cè)的視頻需經(jīng)相關(guān)軟件轉(zhuǎn)換成圖像序列），然后經(jīng)由上述方式預(yù)處理后，在時(shí)間軸上疊加成三維圖像數(shù)據(jù)，記為F’（i，j，k）。

第2步：對(duì)三維圖像數(shù)據(jù)F’（i，j，k）進(jìn)行三維DWT變換，得到系數(shù)矩陣Ca_Cd’（i，j，k）；接著使Ca（i，j，k）這個(gè)近似系數(shù)作全局DCT變換以獲得DF（i，j，k）這個(gè)系數(shù)矩陣；從所有的低中頻系數(shù)中取出前面的256個(gè)數(shù)值，然后通過對(duì)DF’（i，j，k）系數(shù)進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算得到該三維動(dòng)畫的一個(gè)特征向量V（j）。

第3步：根據(jù)存在第三方的在嵌入水印時(shí)生成的Key（j）和三維圖像數(shù)據(jù)的特征向量V’（j），利用Hash函數(shù)可以提取出待測(cè)三維動(dòng)畫圖像序列的水印信息W’（j）。

第4步：和原始分組水印信息作對(duì)比，判斷水印算法的魯棒性。圖2為三維動(dòng)畫數(shù)字水印的提取方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在該算法中，我們首先從幾千幅三維圖像序列中選取出6幅關(guān)鍵幀，然后將選取的圖像大小修改為300×300大小，將修改好的圖像在時(shí)間軸上疊加為體數(shù)據(jù)。選擇一幅64×64的二值圖像作為要嵌入的水印圖片，如圖1所示。

圖1 水印圖像

該水印算法選取的水印信息不需要真正的嵌入的宿主對(duì)象中，因此，水印的嵌入不影響宿主對(duì)象的顯示效果。當(dāng)有人有意或無意的對(duì)三維動(dòng)畫作品進(jìn)行攻擊時(shí)，可以通過觀察從待檢測(cè)的動(dòng)畫作品中提取的水印圖像的效果來確定該水印算法的抗幾何攻擊能力和魯棒性的強(qiáng)健性。

選擇待測(cè)的三維動(dòng)畫圖像體數(shù)據(jù)，在圖像體數(shù)據(jù)未受到攻擊時(shí)，從其中提取的水印圖像完整清晰。

為了驗(yàn)證該算法的穩(wěn)定性，分別對(duì)三維圖像體數(shù)據(jù)進(jìn)行了平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切等各種攻擊，然后，對(duì)再分別對(duì)攻擊后的對(duì)象做水印的提取，下面我們通過實(shí)驗(yàn)來說明該算法的魯棒性，仿真平臺(tái)采用Matlab2010b。

從攻擊后的對(duì)象中提取到的水印效果可見，基于三維DWT-DCT變換的三維動(dòng)畫 具有較好的 能力和一定的魯棒性。

3.1 抗平移攻擊能力

首先對(duì)視頻進(jìn)行平移處理，圖2（a）給出了視頻水平左移10%的視頻圖像，幀圖像明顯看出有移動(dòng)，此時(shí)水印仍能被檢測(cè)出，提取出的水印圖像見圖2（b）。表明該水印方案有很強(qiáng)的抵抗平移攻擊的能力。

（a）水平左移10%后的視頻幀圖像（b）提取的水印圖像

圖2 水印水平移動(dòng)攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 抗旋轉(zhuǎn)攻擊能力

對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攻擊處理。圖3（a）是順時(shí)旋轉(zhuǎn)3°的視頻幀圖像的效果，幀圖像明顯看到了旋轉(zhuǎn)效果，但此時(shí)水印檢測(cè)器仍然能檢測(cè)到水印，提取出的水印圖像如圖3（b）所示。

（a）順時(shí)旋轉(zhuǎn)3°時(shí)的視頻幀圖像（b）提取的水印圖像

圖3 水印抗旋轉(zhuǎn)攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 抗縮放攻擊能力

對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放變換處理。圖4（a）是放大兩倍的視頻幀圖像的效果，幀圖像明顯看到了放大的效果，但此時(shí)水印檢測(cè)器仍然能檢測(cè)到水印，提取出的水印圖像如圖4（b）所示。

（a）放大兩倍的視頻幀圖像（b）提取的水印圖像

圖4 水印抗縮放攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 抗剪切攻擊能力

對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切攻擊處理。圖5（a）是Y軸剪切10%的視頻幀圖像的效果，仍能提取出水印，提取出的水印圖像如圖5（b）所示。

（a）Y軸剪切10%時(shí)的視頻幀圖像（b）提取的水印圖像

圖5 Y軸剪切后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于DWT-DCT變換的水印算法中，所選取的水印信息不需要真正的嵌入的宿主對(duì)象中，因此，水印的嵌入不影響宿主對(duì)象的顯示效果。當(dāng)有人有意或無意的對(duì)三維動(dòng)畫作品進(jìn)行攻擊時(shí)，通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察發(fā)現(xiàn)，從被攻擊的三維動(dòng)畫作品中人能提取到水印圖像，因此，該水印算法具有較好的抗幾何攻擊能力，魯棒性的強(qiáng)健性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王淑琴，張金海，王衛(wèi)民.一種基于奇異值分解的自適應(yīng)水印算法[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2008（08）.

作者簡(jiǎn)介：樊宇（1980.09-），女，河南南陽(yáng)人，講師，本科，研究方向：多媒體技術(shù)、動(dòng)畫制作。

作者單位：海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院，海口 571127

基金項(xiàng)目：?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院校級(jí)課題《基于變換域動(dòng)漫作品魯邦數(shù)字水印研究》（項(xiàng)目編號(hào)：Hjky13-11）。