[发明专利]一种具有可控误差的高容量3D网格模型数据隐藏方法

摘要

本发明的一种基于3D多边形网格数据的隐藏方法，属于计算机图形学、信息传输领域。包括网格模型信息处理、信息隐藏、信息提取以及模型重建等步骤。本发明通过在模型上构造数据截断和分段隐藏策略，可以将隐藏误差控制在较小范围内，且在理论上能够通过控制截断长度将变形误差减小到任意小范围内，可使得用户在一个3D网格模型上隐藏无限多信息，并且保证较高的信噪比，真正解决了信息隐藏量与信噪比直接的矛盾问题。作为一种新的3D模型信息隐藏方式，在网格通信、数字家庭及信息安全等领域有着较强的应用价值。

主权项

一种具有可控误差的高容量3D网格模型数据隐藏方法，其特征在于以下步骤，(一)3D网格信息处理(1)信息预处理给定3D网格M(V，E)，其中V表示网格顶点集合，E表示网格边集合；我们首先将模型归一化到固定位置，其中包括放缩变换、旋转变换以及平移变换；首先，计算模型的矩形包围盒，将模型及其包围盒均匀放缩，使得包围盒最长边为1；然后，利用主成分分析方法对放缩后的包围盒进行旋转变换放置，得到旋转后的模型；最后，计算包围盒的质心，将其平移使得质心与坐标原点重合，得到平移后的模型；经过以上放缩、旋转和平移就得到标准的可用于实验的网格，记为M(V，E)；(2)截断集合构造对V中的数据进行位数截断处理，得到两个子集合：数据截留子集合V_I和截断子集合V_IIV＝V_I+V_II*Sign_V  (1)其中，Sign_V为符号函数纪录原始数据符号信息，V_I用于存储原始数据截留部分，V_II用于信息隐藏处理；由预处理可知，模型点的数据每个分量都是绝对值小于1的，表示成“0.***…***”形式，这里*表示0‑9的任何整数；首先给定截断长度L，将V分成两部分：前L位截留部分V_I，包括符号，保留到小数点后L‑1位和剩余截断部分V_II，数据分量都是“0.00…0***”形式，其中小数点后L‑1位都为0；后续处理过程都是在截断集合V_II上进行，得到隐藏信息后的截断集合V_II’，根据公式(1)就得到处理后的网格V’V’＝V_I+V_II’*Sign_V.  (2)使用截断集合有多个优势：首先，截断集合在数值上将原始模型点重新分布，能够将隐藏信息的点分散在整个网格；从每个坐标分量(X,Y,Z)上，是将原始模型点重新排序，不再受数值空间限制；模型点X、Y或Z值在给定小区间内的点不再集中在一个区域，而是分布在整个模型空间；(3)分段处理在截断集合V_II中，分别对三个坐标分量(X,Y,Z)进行分段处理；下面以X为例，记X中的最大值为X_max，最小值为X_min；将区间[X_min,X_max]均匀分成2^h+2小区间段，h为正整数，令对应小段编号为{0,1,2，……，2^h+1}；固定首末两个小段不动，再对剩下的2^h个小段即{1,2，……，2^h}进行按序分成若干个大区间段，每个大区间段包含2^k个小段，k为正整数且k<h；统计每个小段中包含模型点的个数m，然后在每个大段中挑选出m值最大的小段，记为大段的峰值段，也是将用于隐藏信息的小段；(二)信息隐藏给定待隐藏信息SM＝{001110010100…010}，或该隐藏信息写成k‑位信息流形式，即每k位合并成一组，隐藏到隐藏信息的数据点上；(4)位置表及密钥构造对于每个分量(X,Y,Z)，根据每大段的峰值段，生成数据隐藏位置的位置表，即可隐藏信息处记为1，非隐藏处记为0；保持首小段和末小段不变，即0段和2^h+1段的包含的所有网格点对应位置表都应设为0；首尾两段不变，确保模型隐藏信息后其对应的包围盒不改变，另外，还能够保证提取时所需的分段信息不改变；由前面可知，每个大段中包含2^k个小段，根据大段中小段的标号，构建一个k‑位二进制密钥，即每个小段唯一对应一个k‑位二进制数，对应的十进制整数是[0,2^k‑1]；给定一组k‑位隐藏信息，该密钥唯一确定了该信息与小段间的对应关系；(5)隐藏流程对于每个分量(X,Y,Z)，从对应的位置表中按顺序逐个提取非零元素，即可隐藏信息的数据点位置，每个大段峰中值段的第一个点不藏入信息；对于取出的可隐藏点位置，从SM中取出一组k位数据，根据定义的密钥可知该k位数据对应的小段标号，将可隐藏点从原来所属小段移动到密钥中数据对应的小段中，并将该点一环邻域点标记为非隐藏点；这里隐藏点移动距离为d＝(s₁‑s₂)*|s|，其中s₁为当前点原来所属小段标号，s₂为密钥中数据对应的小段标号，|s|为小段的长度；依次类推，当位置表中所有可隐藏点都处理完毕或者SM中信息隐藏完毕为止；(6)模型重构所有分量都处理完后，即得到隐藏有信息的新截断点集V_II’,再根据公式(2)可得到隐藏信息后的3D网格模型V’；(7)多层隐藏多层隐藏将以上的单层隐藏过程重复步骤(4)‑(6)进行即可，提取过程按照隐藏信息相反顺序进行；信息隐藏过程是将SM信息隐藏到3D网格的顶点坐标信息中，密钥，截取长度以及隐藏层数可以由压缩技术压缩后由其他传输方式发给接收方，位置表可作为隐藏信息一部分直接隐藏到模型前部分固定区域；(三)信息提取给定隐藏信息的3D网格、密钥、截断长度和隐藏层数；首先利用和隐藏过程同样的网格信息处理方式，得到分段信息；然后根据位置表找到隐藏信息的网格点位置以及所属峰值段，利用密钥找出每个隐藏点隐藏的数据信息，并可恢复隐藏点的原始或上一层位置；依次类推，直到位置表所有隐藏位置处理完毕为止，再通过与隐藏过程相同的重构方法得到原始或上一层模型；对于多层隐藏，提取过程与隐藏信息顺序相反，每层提取过程同上，直到提取完为止；最后可得到隐藏信息SM以及原始网格模型。