3D MAX動(dòng)畫(huà)中材質(zhì)參數(shù)的數(shù)字水印算法

李亞琴+方立剛

摘 要： 為了保護(hù)在線多媒體數(shù)字資源的版權(quán)，提出一種針對(duì)3D MAX三維動(dòng)畫(huà)的數(shù)字水印方案。選定動(dòng)畫(huà)中的材質(zhì)參數(shù)作為水印嵌入位置，首先將若干有效材質(zhì)參數(shù)組成一個(gè)矩陣，對(duì)此矩陣進(jìn)行小波變換，得到逼近分量和細(xì)節(jié)分量，其次將水印信息進(jìn)行PCA分解，然后將小波變換后得到的逼近分量與PCA分解得到的第一分量進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后用融合得到的逼近分量與原始細(xì)節(jié)分量進(jìn)行小波逆變換，從而將水印嵌入到材質(zhì)參數(shù)矩陣中，用新矩陣中的元素來(lái)重新設(shè)置材質(zhì)，得到嵌入水印的三維動(dòng)畫(huà)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法簡(jiǎn)單易行，水印隱蔽性好，抗攻擊性能強(qiáng)且擴(kuò)展性好。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字水??； 版權(quán)保護(hù)； 3D MAX； 材質(zhì)； 小波變換； PCA； 數(shù)據(jù)融合

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.08?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0084?03

Digital watermarking algorithm of texture parameters in 3D MAX animation

LI Yaqin， FANG Ligang

（Jiangsu Province Support Software Engineering R&D Center for Modern Information Technology Application， Suzhou 215104， China）

Abstract： In order to protect the copyright of the multimedia digital resources， a digital watermarking scheme for 3D MAX animation is put forward， and the texture parameters in animation are selected as the positions of watermark embedding. A matrix composed of several effective texture parameters is performed with wavelet transform to get the approximation component and detail component， then the watermark information is decomposed with PCA to get the first component， and the approximation component and first component are conducted with data fusion. The wavelet inverse transform is carried out for the approximation component and original detail component to embed the watermarking into a new matrix of texture parameters. The elements in the new matrix is used to reset the texture to obtain the 3D animation with embedding watermark. The experimental results show that the algorithm has simple operation， good watermark concealment， strong attack resistance and perfect extensibility.

Keywords： digital watermark； copyright protection； 3D MAX； texture； wavelet transform； PCA； data fusion

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了大量的數(shù)字媒體資源，主要有圖像、音頻、視頻、文本格式材料等。這些多媒體資源是原作者辛勤勞動(dòng)的成果，雖然網(wǎng)絡(luò)的便捷與快速給學(xué)習(xí)者打開(kāi)了方便之門(mén)，但由于發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字資源很容易被復(fù)制、修改和傳播，所以網(wǎng)上傳播的數(shù)字媒體資源存在嚴(yán)重的盜版和侵權(quán)問(wèn)題。如何保護(hù)在線多媒體數(shù)字資源的版權(quán)已成為近年來(lái)法律界、教育界和計(jì)算機(jī)研究中面臨的難題之一[1]。

為了保障動(dòng)漫行業(yè)健康發(fā)展，數(shù)字資源管理系統(tǒng)必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)控制作品的非法訪問(wèn)和拷貝。目前對(duì)多媒體資源版權(quán)保護(hù)的研究中，文獻(xiàn)[2]提出一種基于最低位有效算法和變化元素的矢量動(dòng)畫(huà)水印方案，首先把矢量動(dòng)畫(huà)中相鄰幀間變化元素的顏色值作為水印的嵌入位置，然后采取修改最低有效位的方法將多組水印編碼后嵌入到動(dòng)畫(huà)中，提取水印時(shí)，多組水印互相驗(yàn)證來(lái)提取出準(zhǔn)確的水印。文獻(xiàn)[3]提出利用連續(xù)矢量圖幀中特定圖形元素顏色輕微修改來(lái)嵌入水印，通過(guò)分析圖形元素幀間顏色值的差異提取并驗(yàn)證水印。文獻(xiàn)[4]提出將水印的效果圖嵌入到SWF格式的動(dòng)畫(huà)文件中，應(yīng)用高頻系數(shù)進(jìn)行處理，嵌入水印之前先對(duì)水印的信息內(nèi)容進(jìn)行預(yù)處理。文獻(xiàn)[5]提出3種矢量動(dòng)畫(huà)的水印方案做理論研究。但是目前針對(duì)3D MAX三維動(dòng)畫(huà)的水印方案少之又少。

本文提出一種針對(duì)3D MAX軟件制作的三維動(dòng)畫(huà)的數(shù)字水印算法，主要是基于動(dòng)畫(huà)中的材質(zhì)參數(shù)。將一部三維動(dòng)畫(huà)中的若干有效材質(zhì)參數(shù)組成一個(gè)矩陣，對(duì)此矩陣進(jìn)行小波變換，選定水印信息后，對(duì)水印進(jìn)行PCA分解，將小波變換得到的系數(shù)與PCA分解得到的第一分量進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。最后用修改后的小波系數(shù)進(jìn)行小波逆變換，成功將水印信號(hào)嵌入到矩陣中，用新的矩陣元素修改動(dòng)畫(huà)的材質(zhì)，得到嵌入水印的三維動(dòng)畫(huà)。endprint

1 3D MAX動(dòng)畫(huà)及材質(zhì)參數(shù)

3D MAX是專為流暢的角色動(dòng)畫(huà)和新一代的三維工作流程而設(shè)計(jì)的，集三維建模、燈光、攝影機(jī)、材質(zhì)、動(dòng)畫(huà)、特效、渲染于一身，在應(yīng)用范圍方面，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。

材質(zhì)反映的是物體本身的物理屬性，表現(xiàn)物體實(shí)際的視覺(jué)狀態(tài)，不同的物體具有不同的質(zhì)感，用材質(zhì)可以表現(xiàn)物體的顏色、紋理、透明度、凹凸程度、粗糙度、光澤度等。

2 基于3D MAX動(dòng)畫(huà)中材質(zhì)參數(shù)的數(shù)字水印算法

2.1 水印嵌入算法

3D MAX中，主要在材質(zhì)編輯器中設(shè)置材質(zhì)，每種材質(zhì)對(duì)應(yīng)一個(gè)材質(zhì)球，每個(gè)材質(zhì)球里有若干參數(shù)。

步驟1：將一部動(dòng)畫(huà)材質(zhì)編輯器中的有效參數(shù)集成到一個(gè)矩陣中，記為[X，][X=xij，i=1，2，…，m；][j=1，2，…，n，]對(duì)[X]進(jìn)行一級(jí)二維離散小波變換，小波基選擇“db1”，得到HH，HL，LH，LL，分別是小波變換后的細(xì)節(jié)分量和逼近分量，逼近分量對(duì)應(yīng)大尺度低頻分量，細(xì)節(jié)分量對(duì)應(yīng)小尺度高頻分量，小波變換對(duì)高頻成分采用逐漸精細(xì)的時(shí)域或頻域取樣步長(zhǎng)，從而聚焦到對(duì)象的任何細(xì)節(jié)：

[（HH，HL，LH，LL）=dwt2（X，′db1′）] （1）

步驟2：選擇水印信息，記為[W，]對(duì)[W]進(jìn)行PCA變換，得到三個(gè)分量，分別是pc，latent，explained，第一主分量pc作為實(shí)際嵌入的水印信息元素：

[pc，latent，explained=paccov（W）] （2）

步驟3：將LL與pc進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，即將水印信息pc嵌入到LL中，得到新的逼近分量記為L(zhǎng)L*：

[LL*=Fuse（LL，pc，alphaFactor）] （3）

步驟4：將HH，HL，LH，LL*進(jìn)行小波逆變換，得到新的矩陣，記為[X*]：

[X*=idwt2（HH，HL，LH，LL*，′db1′）] （4）

步驟5：用[X*]中的矩陣元素來(lái)重新設(shè)置材質(zhì)并賦予物體。

2.2 水印提取算法

水印提取算法實(shí)際上是嵌入算法的逆過(guò)程，當(dāng)動(dòng)畫(huà)的版權(quán)出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，利用提取算法提取出水印。

步驟1：首先將動(dòng)畫(huà)材質(zhì)編輯器中的嵌入算法所選擇的有效參數(shù)組成一個(gè)矩陣，記為[X，]對(duì)[X]進(jìn)行一級(jí)二維離散小波變換，小波基選擇“db1”，得到HH′，HL′，LH′，LL′，分別是小波變換后的細(xì)節(jié)分量和逼近分量。

步驟2：從LL′中提取水印，由于嵌入時(shí)采用的是數(shù)據(jù)融合方法，所以提取時(shí)采用獨(dú)立分量分析ICA分解的方法，具體步驟如下：

step1：讀取LL′記為[x1]；

step2：令[X=[x1，x2]T，][x2]是密鑰，本文是[pc，]即嵌入水印時(shí)的第一主分量；

step3：調(diào)用ICA求得[A-1；]

step4：[Y=A-1X，Y=[y1，y2]T；]

step5：將[y2]轉(zhuǎn)換成一個(gè)[M1×M2]的二維矩陣[pc；]

step6：[pc‘]就是利用ICA方法提取出來(lái)的第一主分量，即提取出來(lái)的水印信息。

步驟3：將[pc‘]與[pc]進(jìn)行比對(duì)，以證明水印的有效性及判別版權(quán)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文選擇的三維動(dòng)畫(huà)短片是一部人物動(dòng)畫(huà)，將材質(zhì)編輯器中的有效參數(shù)集成到矩陣中，是一個(gè)12×12的二維矩陣，本文選擇的水印信息是二代身份證號(hào)，是1×18的一維矩陣。本文實(shí)驗(yàn)全部在3D MAX 2014和Matlab R2011b中完成。

圖1是仿真實(shí)驗(yàn)的GUI界面，然后在callback中編寫(xiě)代碼完成實(shí)驗(yàn)。

3.2 算法隱蔽性

為了驗(yàn)證算法的隱蔽性，通過(guò)峰值信噪比（PSNR）來(lái)衡量，選擇的動(dòng)畫(huà)共有230幀，將原始動(dòng)畫(huà)渲染為一系列靜態(tài)連續(xù)圖片共有230張，將嵌入水印的動(dòng)畫(huà)也做同樣渲染方式的選擇，共有230張，把對(duì)應(yīng)位置的兩張圖片做峰值信噪比，共有230個(gè)PSNR數(shù)據(jù)，本文算法的平均PSNR為50.562 4，說(shuō)明算法的水印隱蔽性較好，矩陣[X]與矩陣[X*]的相關(guān)系數(shù)為0.998 9。

3.3 算法抗攻擊性

對(duì)含有水印的動(dòng)畫(huà)進(jìn)行攻擊，以驗(yàn)證算法的性能，本文所做的攻擊都是在3D MAX軟件中對(duì).max源文件進(jìn)行攻擊。

（1） 刪除材質(zhì)參數(shù)攻擊

每個(gè)材質(zhì)球中包含多個(gè)參數(shù)，用來(lái)表現(xiàn)物體不同的特性，如要表現(xiàn)物體的光澤度，需要設(shè)置自發(fā)光、環(huán)境光顏色、高光顏色、高光級(jí)別、光澤度等參數(shù)；如要表現(xiàn)物體的粗糙特點(diǎn)，則要設(shè)置凹凸通道、置換通道參數(shù)等。在做攻擊時(shí)，刪除少于三個(gè)材質(zhì)參數(shù)，用提取算法提取出水印后，提取水印與原始水印的相關(guān)系數(shù)為0.963 4。

（2） 修改材質(zhì)參數(shù)攻擊

對(duì)動(dòng)畫(huà)的材質(zhì)參數(shù)做修改，本文實(shí)驗(yàn)中修改了若干材質(zhì)參數(shù)，提取水印和原始水印的相關(guān)系數(shù)如表1所示。

（3） 增加材質(zhì)球攻擊

增加材質(zhì)球，即在原來(lái)空白的材質(zhì)球上設(shè)置參數(shù)，因?yàn)樵紕?dòng)畫(huà)中沒(méi)有這些參數(shù)，提取水印時(shí)也無(wú)需用到這些參數(shù)，所以對(duì)水印無(wú)影響，提取水印和原始水印的相關(guān)系數(shù)是1.000 0。

4 結(jié) 語(yǔ)

良好的原創(chuàng)風(fēng)氣是中國(guó)動(dòng)漫行業(yè)飛速發(fā)展的基本保障，也是中國(guó)動(dòng)漫人的共同心聲。本文提出一種針對(duì)3D MAX動(dòng)畫(huà)的數(shù)字水印算法，旨在保護(hù)三維動(dòng)畫(huà)這種數(shù)字資源，算法簡(jiǎn)單易行，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明算法的隱蔽性好，且擴(kuò)展性能好，不僅可應(yīng)用在3D MAX軟件的動(dòng)畫(huà)中，也可以應(yīng)用于3D MAX的靜態(tài)效果圖或者其他三維軟件中。但是算法在抵抗整體刪除材質(zhì)球的攻擊方面能力較弱，今后將做進(jìn)一步研究。

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