三维动画变换域数字水印算法研究

摘 要：随着计算机软硬件技术的不断发展，形式多样的动漫作品也逐渐成为了信息时代炙手可热的产物，其中三维动画因其真实的虚拟再现能力，成为了动漫行业研究的焦点。与此同时，三维动画作品的版权保护问题也成为了亟待解决的首要问题。本文从版权问题考虑，设计一种基于三维DWT-DCT变换的三维动画的水印算法。

关键词：三维动画 变换域；数字水印；鲁棒性；抗几何攻击

中图分类号：TP309.7

研究三维动画数字水印算法，首先要了解三维动画的特点，根据三维动画的特点，结合各种数学变换设计出适合三维动画的数字水印算法。本文设计了一种基于三维DWT-DCT变换的三维动画的水印算法。

1 三维动画的特点

三维动画的制作主要有经过以下几个关键步骤：前期准备工作（完成动态分镜头脚本制作）、建立3D模型、三维动画效果雏形制作、制作三维模型的贴图和材质、为模型添加骨骼和蒙皮，制作动态效果、三维动画灯光和特效制作、三维动画渲染输出、后期配乐和剪辑。仔细研究三维动画制作过程，三维动画的盗版侵权行为多出现在贴图材质、渲染输出图像序列和后期合成的视频成品三个环节。

目前针对三维动画后期合成视频的盗版侵权问题在很多著作中已经做了相关讨论，但是，三维动画的版权保护不只是最终视频归属问题。通过大量视频数字水印算法的研究法发现，视频在进行数字水印保护前同样需要将视频分割成不同的镜头，再将镜头根据相应的方法分解出一个个的关键帧，然后将关键帧处理为视频体数据，最后从视频体数据中得到视频特征向量后再进行水印相关算法的添加，这种想法把保护的重点放在最终的视频成果，忽略了三维动画制作的关键环节，所以视频水印算法更适合于录制拍摄的视频文件，而对三维动画制作的关键成果保护程度不够，但对于三维动画的数字水印保护有很大的借鉴意义。

2 三维动画数字水印算法实现

三维动画作品的版权保护重点在于贴图和渲染输出的众多序列，结合三维动画的特点和制作原理，本文提出了一种基于DWT-DCT变换的数字水印算法。

2.1 算法设计

本算法选择二值图像作为数字水印信息嵌入到三维动画文件中。我们首先将三维动画图像序列首先进行三维DWT变换，然后对其近似系数再进行DCT变换，然后将正系数用“1”表示，负系数和零用“0”表示，由此我们就可以得到图像序列的一个二值的特征向量。当三维图像序列数据经过各种几何攻击后，同样用上述方法分别提取受到几何攻击后的特征向量，然后通过计算三维图像序列在经受几何攻击前后的特征向量的归一化相关系数，确定此方法找到的特征向量是否能够体现三维图像序列的特征。

2.1.1 数字水印的嵌入

第1步：首先从渲染输出的几千幅图像序列中选择关键帧图像，然后将这些图像进行预处理，并在时间轴方向上叠加成三维图像数据，记为F（i，j，k）；然后对三维图像数据数据F（i，j，k）进行三维DWT变换，得到系数矩阵Ca_Cd（i，j，k）；接着使Ca（i，j，k）这个近似系数作全局DCT变换以获得DF（i，j，k）这个系数矩阵；取出低中频系数的前L个值，并通过对DF（i，j，k）系数进行符号运算得到该三维图像数据的一个 V（j），具体做法是当DCT系数为正时用“1”表示，系数为负或零时用“0”表示。

第2步：根据要嵌入的水印W（j）和已提取的三维图像数据的特征向量V（j），利用哈希函数，生成二值逻辑序列Key（j）。

第3步：保存密钥Key（j），在提取水印时使用。通过将密钥Key（j）向第三方申请版权保护，确定三维动画的所有权归属。

在该水印嵌入算法中，水印信息并没有嵌入到三维图像数据当中，是一种零水印嵌入，这将不会影响三维动画最终合成的质量。

2.1.2 数字水印的提取

第1步：选择同样的三维动画渲染输出的图像序列或需检测视频文件（需检测的视频需经相关软件转换成图像序列），然后经由上述方式预处理后，在时间轴上叠加成三维图像数据，记为F’（i，j，k）。

第2步：对三维图像数据F’（i，j，k）进行三维DWT变换，得到系数矩阵Ca_Cd’（i，j，k）；接着使Ca（i，j，k）这个近似系数作全局DCT变换以获得DF（i，j，k）这个系数矩阵；从所有的低中频系数中取出前面的256个数值，然后通过对DF’（i，j，k）系数进行符号运算得到该三维动画的一个特征向量V（j）。

第3步：根据存在第三方的在嵌入水印时生成的Key（j）和三维图像数据的特征向量V’（j），利用Hash函数可以提取出待测三维动画图像序列的水印信息W’（j）。

第4步：和原始分组水印信息作对比，判断水印算法的鲁棒性。图2为三维动画数字水印的提取方法。

3 实验结果及分析

在该算法中，我们首先从几千幅三维图像序列中选取出6幅关键帧，然后将选取的图像大小修改为300×300大小，将修改好的图像在时间轴上叠加为体数据。选择一幅64×64的二值图像作为要嵌入的水印图片，如图1所示。

图1 水印图像

该水印算法选取的水印信息不需要真正的嵌入的宿主对象中，因此，水印的嵌入不影响宿主对象的显示效果。当有人有意或无意的对三维动画作品进行攻击时，可以通过观察从待检测的动画作品中提取的水印图像的效果来确定该水印算法的抗几何攻击能力和鲁棒性的强健性。

选择待测的三维动画图像体数据，在图像体数据未受到攻击时，从其中提取的水印图像完整清晰。

为了验证该算法的稳定性，分别对三维图像体数据进行了平移、旋转、缩放和剪切等各种攻击，然后，对再分别对攻击后的对象做水印的提取，下面我们通过实验来说明该算法的鲁棒性，仿真平台采用Matlab2010b。

从攻击后的对象中提取到的水印效果可见，基于三维DWT-DCT变换的三维动画 具有较好的 能力和一定的鲁棒性。

3.1 抗平移攻击能力

首先对视频进行平移处理，图2（a）给出了视频水平左移10%的视频图像，帧图像明显看出有移动，此时水印仍能被检测出，提取出的水印图像见图2（b）。表明该水印方案有很强的抵抗平移攻击的能力。

（a）水平左移10%后的视频帧图像 （b）提取的水印图像

图2 水印水平移动攻击实验结果

3.2 抗旋转攻击能力

对视频数据进行旋转攻击处理。图3（a）是顺时旋转3°的视频帧图像的效果，帧图像明显看到了旋转效果，但此时水印检测器仍然能检测到水印，提取出的水印图像如图3（b）所示。

（a）顺时旋转3°时的视频帧图像 （b）提取的水印图像

图3 水印抗旋转攻击实验结果

3.3 抗缩放攻击能力

对视频数据进行缩放变换处理。图4（a）是放大两倍的视频帧图像的效果，帧图像明显看到了放大的效果，但此时水印检测器仍然能检测到水印，提取出的水印图像如图4（b）所示。

（a）放大两倍的视频帧图像 （b）提取的水印图像

图4 水印抗缩放攻击实验结果

3.4 抗剪切攻击能力

对视频数据进行剪切攻击处理。图5（a）是Y轴剪切10%的视频帧图像的效果，仍能提取出水印，提取出的水印图像如图5（b）所示。

（a）Y轴剪切10%时的视频帧图像 （b）提取的水印图像

图5 Y轴剪切后实验结果

4 结束语

本文提出的基于DWT-DCT变换的水印算法中，所选取的水印信息不需要真正的嵌入的宿主对象中，因此，水印的嵌入不影响宿主对象的显示效果。当有人有意或无意的对三维动画作品进行攻击时，通过上述实验结果观察发现，从被攻击的三维动画作品中人能提取到水印图像，因此，该水印算法具有较好的抗几何攻击能力，鲁棒性的强健性，有一定的应用价值。

参考文献：

[1]王淑琴，张金海，王卫民.一种基于奇异值分解的自适应水印算法[J]. 计算机仿真，2008（08）.

作者简介：樊宇（1980.09-），女，河南南阳人，讲师，本科，研究方向：多媒体技术、动画制作。

作者单位：海口经济学院，海口 571127

基金项目：海口经济学院校级课题《基于变换域动漫作品鲁邦数字水印研究》（项目编号：Hjky13-11）。