CN109920014B - 3d网格模型隐写方法 - Google Patents

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CN109920014B CN201910146687.2A CN201910146687A CN109920014B CN 109920014 B CN109920014 B CN 109920014B CN 201910146687 A CN201910146687 A CN 201910146687A CN 109920014 B CN109920014 B CN 109920014B
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Abstract

本发明公开了一种3D网格模型隐写方法，它是一种高安全性能的3D网格模型隐蔽通信解决方案，其利用多比特平面作为载体，可以实现很高的嵌入容量，同时，在消息嵌入后可以保证高安全性和良好3D网格模型质量。该方案通过设计合理的失真函数并配合高效的隐写编码，从而形成安全的3D网格模型隐写方法，不仅可以避免互联网用户个人隐私数据遭到泄露，也是军事通信中保障国家信息安全的重要途径，具有重要的实际应用价值。

Description

3D网格模型隐写方法
技术领域
本发明涉及信息隐藏技术领域，尤其涉及一种3D网格模型隐写方法。
背景技术
3D网格模型已经成为当今互联网中最流行的媒体之一。3D模型逆向工程建模、工业测量、文化遗产保护和恢复、3D打印等都是近年来迅速发展起来的应用。3D网格模型由空间坐标点集合以及点之间的拓扑连线，坐标点像素值集合构成。较视频和图像相比，有多种载体可以进行秘密信息的嵌入。通过修改坐标点位置、调制坐标点间的拓扑结构、修改坐标点的像素值，多种信息表达形式中都可以进行消息的嵌入。由于修改坐标点相对其他方式具有更大的数据量容纳秘密信息，因此，以基于坐标点的3D网格为载体的隐写方法应运而生。
为了抵抗检测攻击，安全的隐写方法需要最小化载体的嵌入失真。嵌入失真通常由符合给定载体特性的失真函数来衡量，通过采用一定的数据嵌入编码方法就可以在消息嵌入过程中最小化该失真。目前，用于最小化嵌入失真的编码方法已经趋于成熟，比如Fridrich等人提出的STC(Syndrome-trellis Codes)编码。而摆在眼前的关键问题是如何定义符合载体特性的失真函数来合理地反映嵌入影响。事实上，对于一种不合理的失真函数，即使采用当今最好的编码方法，也不一定能够保证隐写方法的安全性。近几年来，国内外涌现了很多针对空域图像和JPEG图像的隐写方法，通过合理的失真函数来反映嵌入影响，再通过编码方法完成数据嵌入，有效地提升了隐写方法的安全性。然而，针对3D网格模型隐写的失真函数研究尚处于初等阶段，值得进行更深入的研究和探索。
3D模型的空间坐标序列由于是由32-bit小数表示，因此具备较大的容量用于信息嵌入。由于坐标值规定为7位小数，因此只有23层比特平面可用于消息的嵌入，其余8层为全零层，不适合嵌入信息(除去31个比特平面，另一比特平面代表坐标点的正负，也不用于信息的嵌入)。因此，空域图像和JPEG图像隐写方法无法直接应用于3D网格模型的隐写中。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D网格模型隐写方法，它是一种高安全性能的3D网格模型隐蔽通信解决方案，同时，在消息嵌入后可以保证高安全性和良好3D网格模型质量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种3D网格模型隐写方法，包括：
秘密消息嵌入阶段：将3D网格模型解码得到的坐标点集合按通道各自划分为L个比特平面；根据待嵌入消息的长度m来计算可嵌入比特平面数量l，同时使用预先设计的失真函数对各通道的可嵌入比特平面的第l层的元素进行嵌入失真定义；使用校验子格编码在各通道的可嵌入比特平面的第l层载体嵌入秘密消息，对于各通道的可嵌入比特平面的第1～第l-1层以最低有效位替换方式满嵌以进行消息嵌入，对上述两种方式得到的载密比特平面集合进行编码，得到载密3D网格模型；
秘密消息提取阶段：对载密3D网格模型进行解码，得到对应于各通道的l个嵌入过消息的比特平面；对于各通道的第l层比特平面，利用校验子格编码校验矩阵提取秘密消息，对于各通道的第1～第l-1层比特平面直接提取最低有效位数据作为秘密消息，上述两种方式提取到的秘密消息的级联结果即为最终提取到的秘密消息。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用多比特平面作为载体，可以实现很高的嵌入容量。通过设计合理的失真函数并配合高效的隐写编码，从而形成安全的3D网格模型隐写方法，不仅可以避免互联网用户个人隐私数据遭到泄露，也是军事通信中保障国家信息安全的重要途径，具有重要的实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种3D网格模型隐写方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的顶点v5的顶点法向量的示意图；
图3为本发明实施例提供的固定嵌入率下，不同隐写分析特征对隐写前后的载体载密的分类结果；
图4为本发明实施例提供的3D网格模型表面邻域坐标参数表示示意图；
图5为本发明实施例提供的测试隐写方法性能的标准3D模型；
图6为本发明实施例提供的不同隐写方法针对LFS64隐写分析方法的抗检测能力比较结果；
图7为本发明实施例提供的不同隐写方法针对LFS76隐写分析方法的抗检测能力比较结果。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种3D网格模型隐写方法，如图1所示，其主要包括如下两个处理阶段：
1、秘密消息嵌入阶段：将3D网格模型解码得到的坐标点集合按通道各自划分为L个比特平面；根据待嵌入消息的长度m来计算可嵌入比特平面数量l，同时使用预先设计的失真函数对各通道的可嵌入比特平面的第l层的元素进行嵌入失真定义；使用校验子格编码(Syndrome-trellis Codes，STC)在各通道的可嵌入比特平面的第l层载体嵌入秘密消息，对于各通道的可嵌入比特平面的第1～第l-1层以最低有效位替换(Least SignificantBit Replacement，LSBR)的方式满嵌以进行消息嵌入，对上述两种方式得到的载密比特平面集合进行编码，得到载密3D网格模型；
2、秘密消息提取阶段：对载密3D网格模型进行解码，得到对应于各通道的l个嵌入过消息的比特平面；对于各通道的第l层比特平面，利用STC编码校验矩阵提取秘密消息，对于各通道的第1～第l-1层比特平面直接提取LSB数据作为秘密消息，上述两种方式提取到的秘密消息的级联结果即为最终提取到的秘密消息。
本发明实施例提供的上述方案，是一种高安全性能的3D网格模型隐蔽通信解决方案，其利用多比特平面作为载体，可以实现很高的嵌入容量，同时，在消息嵌入后可以保证高安全性和良好3D网格模型质量。该方案通过设计合理的失真函数并配合高效的隐写编码，从而形成安全的3D网格模型隐写方法，不仅可以避免互联网用户个人隐私数据遭到泄露，也是军事通信中保障国家信息安全的重要途径，具有重要的实际应用价值。
为了便于理解，下面针对上述两个处理阶段的优选实施方式做详细的介绍。
一、秘密消息嵌入阶段。
1、对3D网格模型进行解码，并进行比特平面的划分。
本发明实施例中，将3D网格模型解码，得到坐标点集合
Figure BDA0001980267810000041
和面集合
Figure BDA0001980267810000042
其中，坐标点集合
Figure BDA0001980267810000043
中坐标点个数为N。
本发明实施例中，将坐标点集合中x,y,z这三个通道各视为一维向量，各自划分为L个比特平面。
由于每个坐标点的值由32比特数据进行存储，因此能够划分为32个比特平面，即可以设置L＝32；其中，最高比特平面表示的是坐标点的正负，后8比特平面全为0值，因此这9个比特平面不用于消息的嵌入。
2、根据待嵌入消息的长度m来计算可嵌入比特平面数量l。
计算公式为：
Figure BDA0001980267810000044
3、使用预先设计的失真函数对各通道的可嵌入比特平面的第l层的元素进行嵌入失真定义。
考虑到3D模型的特有性质，需要进行失真函数的设计。
ρi是本发明设计的失真函数，它反映了坐标点(顶点)修改之后的嵌入影响，由坐标点法向量在拉普拉斯平滑前后的变化构成，坐标点v5法向量如图2所示。
如图3所示，通过分析不同隐写分析子特征作用于载体和载密3D模型上进行分类的情况，发现基于坐标点法向量的隐写分析特征(f37-f40)对载体和载密的分类性能最好，即隐写前后对顶点法向量的影响最为明显。因此，为了对抗基于坐标点法向量的隐写分析特征，设计了失真函数ρi。
失真函数ρi表示为：
Figure BDA0001980267810000045
上式中，1≤i≤N，N为坐标点集合
Figure BDA0001980267810000051
中坐标点个数；σ为一个不为0的偏置(可设置为1e-6)；
Figure BDA0001980267810000052
表示坐标点vi的法向量；v′i表示坐标点集合
Figure BDA0001980267810000053
经过拉普拉斯平滑操作后第i个的坐标点，与坐标点vi对应，
Figure BDA0001980267810000054
是坐标点v′i的法向量；
失真函数ρi反映了坐标点vi经过拉普拉斯平滑之后的法向量的变化情况；为了计算顶点法向量在Laplacian平滑后的变化情况，坐标点vi的法向量
Figure BDA0001980267810000055
表示为：
Figure BDA0001980267810000056
上式中，
Figure BDA0001980267810000057
是包含坐标点vi的面集合，坐标点
Figure BDA0001980267810000058
和坐标点
Figure BDA0001980267810000059
是坐标点vi在面Fj中相连的两个顶点，
Figure BDA00019802678100000510
分别对应的表示连接坐标点vi和
Figure BDA00019802678100000511
坐标点vi和
Figure BDA00019802678100000512
的边；经过拉普拉斯平滑操作后的面Fj记为F′j，面F′j的法向量记为
Figure BDA00019802678100000513
Figure BDA00019802678100000514
是包含坐标点vi的三角形面积，其表示为：
Figure BDA00019802678100000515
上式中，半周长
Figure BDA00019802678100000516
Figure BDA00019802678100000517
表示面Fj中不与坐标点vi相连的边，
Figure BDA00019802678100000518
和
Figure BDA00019802678100000519
是面Fj中与坐标点vi相连的两个相邻的边，
Figure BDA00019802678100000520
和
Figure BDA00019802678100000521
构成一个三角形。
为了更清晰阐述这些变量，请参见图4。图4显示了3D网格模型表面邻域坐标参数表示。图4中，示出了
Figure BDA00019802678100000522
和
Figure BDA00019802678100000523
的含义，以及三条边之间的结构关系。
其中，对坐标点进行拉普拉斯平滑操作表示为：
Figure BDA00019802678100000524
上式中，τ为尺度因子(可设置为0.2)，
Figure BDA00019802678100000525
表示坐标点vi邻域坐标点的集合，wik为坐标点vi与vk之间的权重，其定义为：
Figure BDA00019802678100000526
在失真函数中，嵌入失真由顶点法向量决定。对于拉普拉斯平滑前后变化不大(变化前后的顶点法向量的二范数距离较小)的顶点，局部区域比较平滑，定义较大的失真；反之对于复杂的局部区域，则定义较小的失真。
4、秘密消息嵌入。
1)使用STC编码在各通道的可嵌入比特平面的第l层载体嵌入秘密消息。
首先，计算可嵌入比特平面的第l层待嵌入消息长度m′：
Figure BDA0001980267810000061
其中，N为坐标点集合
Figure BDA0001980267810000062
中坐标点个数；
然后，计算消息的嵌入率η＝m′/N；
最后，使用单层STC编码分别在x,y,z这三个通道的可嵌入比特平面的第l层以嵌入率η嵌入秘密消息，生成修改后的第l层比特平面
Figure BDA0001980267810000063
2)对于各通道的可嵌入比特平面的第1～第l-1层
Figure BDA0001980267810000064
采用LSBR嵌入方式以嵌入率η’＝1分别进行消息的嵌入，得到载密比特平面
Figure BDA0001980267810000065
其中，f＝1,2,…,l-1。
5、将上个步骤中两种方式得到的载密比特平面集合进行整合得到载密坐标序列
Figure BDA0001980267810000066
并与3D网格模型解码得到面集合
Figure BDA0001980267810000067
编码成载密3D网格模型Y。
二、秘密消息提取阶段。
1、对载密3D网格模型进行解码，得到对应于各通道的l个嵌入过消息的比特平面。
对载密3D网格模型进行解码，得到由N个坐标点构成的坐标点集合，以及面集合；对其中的N个坐标点构成的坐标点集合按照x,y,z这三个通道分别进行解密，各通道均得到L个比特平面，从而得到对应于各通道的l个嵌入过消息的比特平面。
2、秘密消息提取。
1)对于各通道的第l层比特平面，利用STC编码校验矩阵H和运动矢量生成的载密向量y进行乘法运算，即Hy，从而得到秘密消息。
2)对于各通道的第1～第l-1层比特平面直接提取最低有效位(LSB)数据作为秘密消息。
3)将上述两部分秘密消息级联，从而得到最终的秘密消息。
为了说明本发明的隐写效果，利用354个标准3D模型选取260个为训练集，剩余的94个作为测试集；如图5所示，为测试隐写效果时所使用的标准3D模型的示例。
为说明本方法在性能上的优势，另选取了三种3D隐写算法作为对比，包括：Chao等人提出的基于多层调制的隐写算法，记为Chao；Li等人提出的约束失真条件下的基于密钥调制的隐写算法，记为Li；Itier等人提出的基于静态算术编码和哈密顿图的嵌入算法HPQ，记为HPQ。对每种隐写方法，执行14种嵌入率下隐写实验。同时，选取目前比较有效的两种隐写分析方法进行攻击，分别记为LFS64和LFS76。这3篇文章只有HPQ是论文中作者给出的简称，Chao和Li直接用了第一作者的姓氏作为简称。
使用目前先进的集成分类器Ensemble Classifier进行训练和分类，其中非载密3D网格模型和载密3D网格模型数目相等。隐写方法安全性指标采用最小平均错误概率衡量：
Figure BDA0001980267810000071
四种隐写方法在不同嵌入率下的最小平均错误概率如表1所示：
Figure BDA0001980267810000072
表1 四种隐写方法在不同嵌入率下的最小平均错误概率
图6和图7分别显示了四种隐写分析方法针对LFS64和LFS76的抗检测能力。从表1、图6、图7中可以看出本发明的方法在低嵌入率下具有最好的安全性能。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，包括：
秘密消息嵌入阶段：将3D网格模型解码得到的坐标点集合按通道各自划分为L个比特平面；根据待嵌入消息的长度m来计算可嵌入比特平面数量l，同时使用预先设计的失真函数对各通道的可嵌入比特平面的第l层的元素进行嵌入失真定义；使用校验子格编码在各通道的可嵌入比特平面的第l层载体嵌入秘密消息，对于各通道的可嵌入比特平面的第1～第l-1层以最低有效位替换方式满嵌以进行消息嵌入，对上述两种方式得到的载密比特平面集合进行编码，得到载密3D网格模型；
秘密消息提取阶段：对载密3D网格模型进行解码，得到对应于各通道的l个嵌入过消息的比特平面；对于各通道的第l层比特平面，利用校验子格编码校验矩阵提取秘密消息，对于各通道的第1～第l-1层比特平面直接提取最低有效位数据作为秘密消息，上述两种方式提取到的秘密消息的级联结果即为最终提取到的秘密消息。
2.根据权利要求1所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，所述将3D网格模型解码得到的坐标点集合按通道各自划分为L个比特平面包括：
将坐标点集合中x，y，z这三个通道各视为一维向量，各自划分为L个比特平面。
3.根据权利要求1所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，将3D网格模型解码，得到坐标点集合
Figure FDA0001980267800000013
和面集合
Figure FDA0001980267800000014
其中，坐标点集合
Figure FDA0001980267800000015
中坐标点个数为N。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，根据待嵌入消息的长度m来计算可嵌入比特平面数量l的公式为：
Figure FDA0001980267800000011
其中，N为坐标点集合
Figure FDA0001980267800000016
中坐标点个数。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，所述预先设计的失真函数ρi表示为：
Figure FDA0001980267800000012
上式中，1≤i≤N，N为坐标点集合
Figure FDA00019802678000000110
中坐标点个数；σ为一个不为0的偏置；
Figure FDA0001980267800000017
表示坐标点vi的法向量；v′i表示坐标点集合
Figure FDA0001980267800000018
经过拉普拉斯平滑操作后第i个的坐标点，与坐标点vi对应，
Figure FDA0001980267800000019
是坐标点v′i的法向量；
失真函数ρi反映了坐标点vi经过拉普拉斯平滑之后的法向量的变化情况；坐标点vi的法向量
Figure FDA0001980267800000026
表示为：
Figure FDA0001980267800000021
上式中，
Figure FDA0001980267800000027
是包含坐标点vi的面集合，坐标点
Figure FDA0001980267800000028
和坐标点
Figure FDA00019802678000000225
是坐标点vi在面Fj中相连的两个顶点，
Figure FDA0001980267800000029
分别对应的表示连接坐标点vi和
Figure FDA00019802678000000210
坐标点vi和
Figure FDA00019802678000000211
的边；经过拉普拉斯平滑操作后的面Fj记为F′j，面F′j的法向量记为
Figure FDA00019802678000000212
Figure FDA00019802678000000213
是包含坐标点vi的三角形面积，其表示为：
Figure FDA0001980267800000022
上式中，半周长
Figure FDA00019802678000000215
Figure FDA00019802678000000214
表示面Fj中不与坐标点vi相连的边，
Figure FDA00019802678000000224
和
Figure FDA00019802678000000223
是面Fj中与坐标点vi相连的两个相邻的边，
Figure FDA00019802678000000216
和
Figure FDA00019802678000000217
构成一个三角形；
其中，对坐标点进行拉普拉斯平滑操作表示为：
Figure FDA0001980267800000023
上式中，τ为尺度因子，
Figure FDA00019802678000000218
表示坐标点vi邻域坐标点的集合，wik为坐标点vi与vk之间的权重，其定义为：
Figure FDA0001980267800000024
6.根据权利要求2或3所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，所述使用校验子格编码在各通道的可嵌入比特平面的第l层载体嵌入秘密消息包括：
首先，计算可嵌入比特平面的第l层待嵌入消息长度m′：
Figure FDA0001980267800000025
其中，N为坐标点集合
Figure FDA00019802678000000222
中坐标点个数；
然后，计算消息的嵌入率η＝m′/N；
最后，使用单层校验子格编码分别在x，y，z这三个通道的可嵌入比特平面的第l层以嵌入率η嵌入秘密消息，生成修改后的第l层比特平面
Figure FDA00019802678000000219
7.根据权利要求6所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，对于各通道的可嵌入比特平面的第1～第l-1层
Figure FDA00019802678000000220
采用最低有效位替换方式以嵌入率η′＝1分别进行消息的嵌入，得到载密比特平面
Figure FDA00019802678000000221
其中，f＝1，2，...，l-1。
8.根据权利要求7所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，将两种方式得到的载密比特平面集合进行整合得到载密坐标序列
Figure FDA0001980267800000031
并与3D网格模型解码得到面集合
Figure FDA0001980267800000032
编码成载密3D网格模型Y。
9.根据权利要求1所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，所述对载密3D网格模型进行解码，得到对应于各通道的l个嵌入过消息的比特平面包括：
对载密3D网格模型进行解码，得到由N个坐标点构成的坐标点集合，以及面集合；对其中的N个坐标点构成的坐标点集合按照x，y，z这三个通道分别进行解密，各通道均得到L个比特平面，从而得到对应于各通道的l个嵌入过消息的比特平面。
10.根据权利要求1或9所述的一种3D网格模型隐写方法，其特征在于，所述对于各通道的第l层比特平面，利用STC编码校验矩阵提取秘密消息包括：
对于各通道的第l层比特平面，利用STC编码校验矩阵H和运动矢量生成的载密向量y进行乘法运算，即Hy，从而得到秘密消息。
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