三維網(wǎng)絡(luò)模型可逆信息隱藏理論與方法研究.pdf

1、數(shù)字多媒體已成為人們分享和傳遞信息的重要載體。但近些年頻繁出現(xiàn)的隱私泄露事件，引起了人們對(duì)數(shù)字多媒體安全問(wèn)題的高度關(guān)注。信息隱藏作為傳統(tǒng)加密技術(shù)的補(bǔ)充，提供了一種有效地解決數(shù)字多媒體安全問(wèn)題的技術(shù)手段。相比于傳統(tǒng)的加密方法，信息隱藏技術(shù)既能對(duì)傳遞信息的內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，還能對(duì)傳遞信息的行為進(jìn)行保護(hù)，無(wú)聲無(wú)息之間實(shí)現(xiàn)了重要信息的安全傳遞。
　　可逆信息隱藏是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要分支，它既要求嵌入的信息在接收端可以被精確地提取，又要求信

2、息提取后的多媒體載體可以被無(wú)損地恢復(fù)。正是這樣的可逆性特點(diǎn)，使得可逆信息隱藏技術(shù)可以適用于一些非常敏感的場(chǎng)景，比如醫(yī)療診治、軍事應(yīng)用和法庭審判。在這些場(chǎng)景下，原始多媒體信息的細(xì)小誤差都可能造成結(jié)果的巨大改變。近些年，研究者提出了大量的圖像可逆信息隱藏方法，在不同場(chǎng)景下對(duì)圖像的真實(shí)性和完整性進(jìn)行保護(hù)。然而，對(duì)于其他數(shù)字多媒體類(lèi)型，相關(guān)的研究才處于起步階段。
　　隨著3D相關(guān)技術(shù)的普及與應(yīng)用，3D模型被廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同的領(lǐng)域。在醫(yī)療

3、行業(yè)中使用它們制作人體器官模型;在軍事領(lǐng)域中使用它們構(gòu)建三維地質(zhì)模型;在科學(xué)領(lǐng)域中使用它們介紹化合物的結(jié)構(gòu)組成;在電影游戲中使用它們?cè)O(shè)計(jì)逼真的人物;在制造工業(yè)中使用它們打印真實(shí)的零部件;甚至在電子商務(wù)領(lǐng)域也開(kāi)始通過(guò)它們更加真實(shí)地呈現(xiàn)線上銷(xiāo)售的商品。可以說(shuō)，3D模型作為繼圖像、音頻、視頻之后的第四代數(shù)字多媒體類(lèi)型，出現(xiàn)在人類(lèi)生活的各個(gè)方面。在這些復(fù)雜性高、敏感性強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景中，3D模型的微小改變都會(huì)導(dǎo)致其不滿(mǎn)足使用的需要。因此，面向3D模

4、型設(shè)計(jì)可逆信息隱藏方法，對(duì)3D模型的真實(shí)性和完整性進(jìn)行有效的保護(hù)，是具有理論價(jià)值和實(shí)用意義的。
　　論文選擇3D模型中最常見(jiàn)的網(wǎng)格模型作為載體，探索不同場(chǎng)景下的可逆信息隱藏方法，主要的研究工作及創(chuàng)新成果可以歸納如下:
　　1.提出了一種基于客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的3D可逆信息隱藏算法
　　論文根據(jù)三維網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與空間分布特點(diǎn)，提出了一種全新的預(yù)測(cè)方法，構(gòu)造了符合拉普拉斯分布的預(yù)測(cè)誤差直方圖。結(jié)合三維空間中頂點(diǎn)的屬性特征和

5、預(yù)測(cè)誤差之間的相關(guān)性，通過(guò)定義適用于三維模型的失真矩陣，引入映射函數(shù)，將遞歸編碼構(gòu)造理論應(yīng)用到三維場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)了三維預(yù)測(cè)誤差直方圖的最優(yōu)變換，完成了秘密信息的可逆嵌入與提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與已有的算法相比，論文中提出的算法在同等嵌入容量下平均有10dB的視覺(jué)質(zhì)量提升。同時(shí)，該算法在失真可接受的前提下，可以進(jìn)行多輪預(yù)測(cè)與嵌入的操作，以進(jìn)一步提高信息的嵌入容量，具有高靈活性的使用特點(diǎn)。
　　2.提出了一種基于人眼視覺(jué)感知的3D可逆信息

6、隱藏算法
　　目前已有的3D可逆信息隱藏方法都是基于客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的，在實(shí)際使用中有一定的局限性，因?yàn)榭陀^指標(biāo)（如信噪比）的大小無(wú)法與人眼看到的視覺(jué)效果完全一致。論文提出了人眼視覺(jué)感知下的3D可逆信息隱藏算法，該算法分析了三維模型的失真特點(diǎn)，通過(guò)離散高斯曲率的拉普拉斯算子定義了每個(gè)頂點(diǎn)的局部復(fù)雜度，并結(jié)合排序算法優(yōu)先選取隱蔽效果好的頂點(diǎn)進(jìn)行信息的嵌入，保證了人眼的視覺(jué)效果。同時(shí)，該算法中沿用了雙層交叉預(yù)測(cè)的方法，既提高了嵌入性能，又

7、保證了算法的可逆性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，論文提出的基于內(nèi)容自適應(yīng)的3D可逆信息隱藏算法在同等嵌入容量下可以有效地減小人眼的視覺(jué)失真。
　　3.提出了一種密文域下的3D可逆信息隱藏算法
　　論文將3D可逆信息隱藏從明文域擴(kuò)展到了密文域，既可以對(duì)三維網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，又可以對(duì)加密后的三維網(wǎng)格模型進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)加密模型真實(shí)性和完整性認(rèn)證的功能。在嵌入端，首先是模型擁有者將三維模型的各頂點(diǎn)坐標(biāo)映射到整數(shù)，并使用流密碼進(jìn)行加密。然

8、后由信息嵌入者在加密的模型上計(jì)算出嵌入點(diǎn)集合，并對(duì)它們小數(shù)坐標(biāo)的后幾位最低有效位進(jìn)行異或操作以嵌入水印，實(shí)現(xiàn)加密模型管理與認(rèn)證的功能。在提取端，有權(quán)限的合法使用者先對(duì)加密模型進(jìn)行解密，再利用三維網(wǎng)格模型本身具有的相關(guān)性進(jìn)行消息的提取，最終恢復(fù)出原始的三維網(wǎng)格模型。論文選用了兩個(gè)公開(kāi)的3D模型庫(kù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提取消息的平均錯(cuò)誤率僅為4.22％，如果引入糾錯(cuò)編碼，錯(cuò)誤率可以降為0。同時(shí)，該方法具有高嵌入容量和低運(yùn)算復(fù)雜度的特點(diǎn)，且