Thủy vân trên mô hình 3D

Bài viết trình bày một phương pháp chứng thực bản quyền cho các mô hình lưới 3D thông qua thủy vân. Ý tưởng của phương pháp này là nhúng thông tin thủy vân vào các lưới 3D bằng cách thay đổi phân bố các chuẩn đỉnh trong hệ tọa độ cầu. Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm hai chức năng là giấu và tách thông tin thủy vân. Quá trình tách thủy vân có thể thực hiện mà không cần mô hình gốc. Kết quả thử nghiệm cho thấy tính bền vững của thủy vân và tính trong suốt của mô hình có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi hệ số nhúng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thủy vân trên mô hình 3D

Nguyễn Lương Nhật1, Đào Duy Liêm2, Lương Xuân Dẫn3

1Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, cơ sở TP Hồ Chí Minh

2Trường Đại học Công Nghệ Sài Gòn

3Công ty TNHH Truyền hình Kỹ thuật số Miền Nam Email: nhatnl@ptithcm.edu.vn, liem.daoduy@stu.edu.vn , danlx@sdtv.vn

Abstract— Trong bài báo này chúng tôi trình bày một phương

pháp chứng thực bản quyền cho các mô hình lưới 3D thông qua

thủy vân Ý tưởng của phương pháp này là nhúng thông tin thủy

vân vào các lưới 3D bằng cách thay đổi phân bố các chuẩn đỉnh

trong hệ tọa độ cầu Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm hai chức năng

là giấu và tách thông tin thủy vân Quá trình tách thủy vân có thể

thực hiện mà không cần mô hình gốc Kết quả thử nghiệm cho thấy

tính bền vững của thủy vân và tính trong suốt của mô hình có thể

được điều chỉnh bằng cách thay đổi hệ số nhúng.

Keywords- Mô hình lưới 3D, thủy vân mù, bảo vệ bản quyền, tọa

độ cầu

I GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây kỹ thuật thủy vân số trở thành một

phương pháp được ưa chuộng để bảo vệ bản quyền dữ liệu số

Thủy vân được tạo ra và nhúng vào dữ liệu, không thể tách rời

thủy vân khỏi dữ liệu nếu không có đúng phương pháp và khóa

Bằng việc nhúng thủy vân vào mô hình lưới 3D

(Three-Dimensional), sau đó có thể tách thủy vân ra để khẳng định chủ

quyền của mô hình 3D

Các phương pháp thủy vân trên mô hình 3D chủ yếu dựa trên

sự thay đổi hình học (tọa độ đỉnh) của mô hình Trong [1] các

tác giả nhúng thủy vân vào mô hình lưới 3D bằng cách điều

chỉnh thứ tự các đỉnh trong mỗi tam giác theo khoảng cách giữa

ba đỉnh và trọng tâm của tam giác đó Trong [2] các tác giả đề

xuất một thuật toán nhúng thủy vân bằng cách thay đổi chiều dài

vector nối từ đỉnh đến trọng tâm của mô hình 3D Kết quả thực

nghiệm cho thấy, trong cả hai phương pháp này mô hình đã

nhúng thủy vân ít có sự biến dạng và bền vững trước một số tấn

công đơn giản

Kỹ thuật thủy vân có thể phân loại theo nhiều cách khác

nhau: thủy vân mù, không mù hay bán mù, thủy vân miền không

gian hay miền biến đổi,… Các phương pháp thủy vân mù thường

ít bền vững hơn so với phương pháp không mù, nhưng chúng lại

được ứng dụng trong thực tế nhiều hơn khi không cần mô hình

ban đầu để trích xuất thủy vân Trong bài báo này chúng tôi trình

bày một thuật toán thủy vân mù được thực hiện trên miền không

gian tại hệ tọa độ cầu, với việc chọn lựa hệ số nhúng phù hợp có

thể nâng cao tính trong suốt của mô hình 3D hay tính bền vững

của thông tin thủy vân

Trong phần II chúng tôi sẽ mô tả kiến trúc thực tế của mô

hình lưới 3D, phần III sẽ trình bày về thuật toán thủy vân trên

các lưới 3D Phần IV cung cấp các kết quả thực nghiệm của thuật

toán, còn phần V sẽ thực hiện các thí nghiệm tấn công và tổng

kết được trình bày ở phần VI

II MÔ HÌNH LƯỚI 3D

Hóa trị = 6

Độ = 3

Hình 1 (a) Mô hình lưới 3D mannequin, (b) Hóa trị (valence) của

đỉnh và độ (degree) của mặt Trong thực tế các mô hình 3D thường được đại diện bởi các lưới đa giác Một lưới 3D được đặc trưng bởi ba thành phần: đỉnh, cạnh và mặt (thường là hình tam giác hoặc tứ giác) Trong khi tọa độ của các đỉnh tạo nên thông tin hình học của lưới thì các cạnh và các mặt mô tả các mối quan hệ liền kề giữa các đỉnh

và tạo thành thông tin kết nối của lưới [3] Mô tả theo toán học,

một lưới M chứa N V đỉnh và N E cạnh có thể được mô hình hóa

bởi M={V, E}, trong đó:

i i, ,i i 1,2, , V 

 (j) ( ) ( ) ( ) 

1 , 2j 1,2, , ; 1j , 2j 1,2, ,

Mỗi đỉnh v i được mô tả bởi tọa độ ba chiều x i , y i , z i của nó,

mỗi phần tử trong E biểu diễn một cạnh nối hai đỉnh khác nhau được đánh số P 1 (j) và P 2 (j)tương ứng Hình 1 minh họa về lưới 3D với “hóa trị” của một đỉnh là số cạnh nối đến đỉnh đó và “độ” của một mặt là số cạnh tạo nên mặt đó Các đỉnh lân cận là các đỉnh được kết nối trực tiếp với đỉnh đó bằng một cạnh

III THỦY VÂN TRÊN MÔ HÌNH 3D Thủy vân trên mô hình 3D là một lĩnh vực mới của kỹ thuật thủy vân số Cấu trúc dữ liệu khác thường của mô hình 3D do quá trình lấy mẫu không đều là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu về kỹ thuật thủy vân, vì vậy hướng nghiên cứu này nhận được ít sự quan tâm của các nhà khoa học Trong những năm gần đây, công nghệ thực tại ảo liên tục phát triển phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của con người [4], [5] nên việc sở hữu bản quyền trí tuệ của các sản phẩm 3D cần được quan tâm nhiều hơn nữa

Tách được

Mô hình đã Nhúng thủy vân

NHÚNG

TÁCH

Đọc tọa độ

các đỉnh Chuyển sang tọa độ cầu WatermarkNhúng Chuyển sang tọa độ Descartes

Đọc tọa độ các đỉnh

Chuyển sang tọa độ cầu

Tách Watermark Hình 2 Lưu đồ nhúng và tách thủy vân

Thuật toán thủy vân được đề xuất trong bài báo này gồm các

khối chức năng chính được thể hiện như trong hình 2 bao gồm

hai quá trình: nhúng và tách thông tin thủy vân để chứng thực

bản quyền Thủy vân (Watermark) được sử dụng có thể là các

bit nhị phân, một logo hay vài ký tự đặc biệt nào đó sẽ được

nhúng vào các đỉnh của mô hình lưới 3D tại hệ tọa độ cầu

Giá trị tọa độ các đỉnh đại diện cho khoảng cách giữa mỗi

đỉnh tới trọng tâm mô hình 3D Gọi v i D = {x i , y i , z i } là đỉnh thứ i

trong hệ tọa độ Descartes và v i S = {i,i,i} là đỉnh tương ứng

trong hệ tọa độ cầu [6] Mối quan hệ giữa v i D và v i Sđược mô tả

bởi (3), (4) và hình 3

Hình 3 Mối quan hệ giữa tọa độ Descartes và tọa độ cầu

arctan

arccos

i i

i

i i

i

y x

z





























(3)

thứ i, và:

cos sin sin sin cos

x y z













A Quá trình nhúng

được chuyển sang tọa độ cầu v i S theo (3) Các chuẩn đỉnhiđược

nguyên Thủy vân đầu vào sẽ được chuyển thành các bit nhị phân

và nhúng vào các chuẩn đỉnh của mô hình 3D

tạo thành i * theo công thức:

*

.2k 2 k mod 2 2k

Sau cùng, chuẩn đỉnhi * cùng với các thành phầni và i

được chuyển lại tọa độ Descartes theo (4) và lưu lại thành mô

hình 3D đã nhúng thủy vân Hệ số nhúng k sử dụng để cân bằng

tính trong suốt và bền vững của thuật toán Trong khi tính trong suốt sẽ giữ cho mô hình 3D sau khi nhúng ít sai khác nhất so với

mô hình gốc, cũng như giữ được độ tinh xảo trong các sản phẩm 3D thì tính bền vững sẽ đảm bảo đầu thu luôn tách được thủy

vân đúng trước những tấn công khác nhau lên mô hình Giá trị k

sẽ được lựa chọn tùy theo từng ứng dụng cụ thể, k càng tăng thì

tính trong suốt càng tăng, tính bền vững càng giảm và ngược lại

B Quá trình tách

Để chứng thực bản quyền cho mô hình 3D, người chủ sở hữu

sẽ tiến hành tách thủy vân từ mô hình Quá trình tách diễn ra

tương tự như khi nhúng, giá trị các đỉnh v i D*đọc được từ mô hình

đã nhúng sẽ chuyển sang toa độ cầu v i S* Các bit thủy vân w i * sẽ được tách từ các chuẩn đỉnh i * theo công thức:

* 2 k * mod 2

Với x là toán tử lấy phần nguyên của x và hệ số k giống với

quá trình nhúng

theo định dạng ban đầu để chứng thực bản quyền cho mô hình 3D

IV KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Các kết quả sau đây được thực hiện trên Matlab 2015a với thông tin thủy vân là một logo nhị phân kích thước 60 x 60 bit, các mô hình lưới 3D thí nghiệm lần lượt là dragon 50.000 đỉnh, bunny 34835 đỉnh, crank 50012 đỉnh và casting 5096 đỉnh (như hình 4) Để đánh giá chất lượng của các lưới 3D sau khi nhúng

chúng tôi sử dụng thước đo độ biến dạng cấu trúc lưới MSDM

(Mesh Structural Distortion Measure) được đề xuất bởi Lavoué

[7] Tham số này bằng 0 khi hai mô hình giống hệt nhau và tiến

tới 1 khi hai mô hình rất khác nhau

1 3 3 1

1

n

j j j

n 

Với X và Y là hai mô hình lưới cần so sánh; n là số đỉnh của

được cho bởi:

LMSDM x y  L x y  C x y  S x y (8)

Trong đó L, C và S tương ứng là hàm so sánh độ cong, độ

tương phản và cấu trúc của hai lưới:

 

, max ,

x y

 



 

, max ,

x y

 



x y

S x y   

 



Vớix,x và xytương ứng là giá trị trung bình, độ lệch

chuẩn và hiệp phương sai của độ cong trên hai lưới cục bộ x, y

(chi tiết về MSDM và LMSDM xin xem thêm trong [7])

Theo [8] giá trị ngưỡng của MSDM là 0.3 sẽ đảm bảo tính

trong suốt cho mô hình đã nhúng thủy vân Có nghĩa là khi thực

hiện nhúng thủy vân vào các lưới 3D không gây ra quá nhiều sự

biến dạng trên mô hình gốc

chúng tôi sử dụng tham số NHS (Normalized Hamming

Similarity) Giá trị NHS sẽ nằm trong khoảng từ 0 (hai chuỗi

khác nhau hoàn toàn) đến 1 (hai chuỗi giống hệt nhau)

*

(W, W ) 1

HD NHS

N M

 

i j

HD W W xor W i j W (13)

Hình 5 cho thấy kết quả nhúng thủy vân vào các mô hình 3D

với hệ số k = 9 và thủy vân tách được từ các mô hình đã nhúng

hoàn toàn giống với thủy vân ban đầu (NHS = 1)

Hình 4 Thủy vân gốc và các mô hình 3D ban đầu sử dụng trong các

thí nghiệm

(a) tach.png (b) w_dragon.off (c) w_bunny.off (d) w_crank.off (e) w_casting.off

Hình 5 Thủy vân tách được và các mô hình đã nhúng với k = 9

Hình 6 Giá trị MSDM và NHS khi nhúng thủy vân trên bốn mô hình

với các hệ số k khác nhau

Giá trị tham số MSDM sau khi nhúng của bốn mô hình trên lần lượt là 0.157605; 0.263408; 0.222072; 0.225251 đảm bảo

tính trong suốt cao của thuật toán Để lựa chọn hệ số k thích hợp,

chúng tôi thực hiện nhúng thủy vân vào các mô hình 3D với các

hệ hố k khác nhau, sau đó tách thủy vân từ mô hình đã nhúng

Kết quả ghi nhận được qua hai tham số MSDM và NHS được trình bày như trong hình 6

Từ các kết quả trên chúng tôi nhận thấy với k ≥ 8.3 thì các

mô hình sau khi nhúng đạt được tính trong suốt cao (MSDM

<0.3) và với k ≤ 19 thì thủy vân tách được hoàn toàn chính xác (NHS = 1), đây là cơ sở chọn lựa hệ số k để cân bằng tính trong

suốt và tính bền vững sẽ được trình bày trong phần sau

V CÁC THÍ NGHIỆM TẤN CÔNG Các loại tấn công lên mô hình 3D được trình bày trong [8] bao gồm làm nhẵn, thêm nhiễu, chia nhỏ, cắt xén, lượng tử đỉnh,…, mỗi loại tấn công đều có các biên độ biến dạng khác nhau Để đánh giá tính bền vững của thuật toán thủy vân, chúng tôi thực hiện một số tấn công lên mô hình 3D đã nhúng, sau đó tiến hành tách thủy vân từ mô hình bị tấn công và so sánh với thủy vân gốc Từ đó xác định hệ số nhúng cân bằng giữa tính trong suốt và tính bền vững

Hình 7 cho thấy các mô hình 3D (đã nhúng thủy vân) sau khi qua các tấn công khác nhau và hình 8 là kết quả tách thủy vân từ các mô hình bị tấn công tương ứng Bảng 1 sẽ trình bày rõ hơn các giá trị NHS của thủy vân tách được trên mô hình bị tấn công

so với thủy vân gốc Các thí nghiệm tấn công với nhiều biên độ tác động được thực hiện trên hai mô hình crank.off và bunny.off

Hình 7 Các loại tấn công lên mô hình 3D với k = 9

(a) NHS=1 (b) NHS=1

(g) NHS=1

(c) NHS=0.72 (d) NHS=0.74

(e) NHS=0.99 (f) NHS=0.68 (h) NHS=0.51

Hình 8 Thủy vân tách được từ các mô hình bị tấn công tương ứng

với k = 9

BẢNG 1 GIÁ TRỊ THAM SỐ NHS CỦA THỦY VÂN TÁCH

ĐƯỢC SAU TẤN CÔNG VÀ THỦY VÂN BAN ĐẦU

Crank.off Bunny.off Crank.off Bunny.off

Đơn giản hóa 0.7486 0.7253 0.6939 0.6856

Nhiễu 0.5 % 0.6467 0.7022 0.4975 0.5103

Biến đổi tương

Dựa vào các kết quả trên, chúng tôi nhận thấy với k ≈ 9 thuật

toán thủy vân bền vững trước các loại tấn công như: chia nhỏ,

thêm nhiễu, lượng tử và cắt xén, đặc biệt trước tấn công chia nhỏ

điểm giữa Thuật toán cũng kém bền vững trước những tấn công:

chuyển đổi tương tự, làm mịn và đơn giản hóa Tuy nhiên khi k

tăng lên thì tính bền vững sẽ kém đi trước các tấn công thêm

nhiễu, lượng tử và cắt xén

VI TỔNG KẾT Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu một thuật toán thủy vân trên mô hình lưới 3D, từ đó có thể ứng dụng trong việc bảo

vệ bản quyền cho các mô hình 3D Thủy vân được nhúng trực

tiếp vào mô hình trên miền không gian với hệ số nhúng k có thể

thay đổi được để giữ tính trong suốt cho mô hình, đảm bảo rằng

mô hình 3D sau khi nhúng có rất ít sự biến đổi so với ban đầu Chúng tôi cũng đã thực hiện rất nhiều loại tấn công với nhiều biên độ khác nhau lên các mô hình đã nhúng, sau đó tiến hành tách thủy vân để kiểm tra tính bền vững của phương pháp Kết

quả cho thấy khi giảm dần hệ số k thì tính bền vững của thủy vân

càng tăng trước một số loại tấn công khác nhau Từ đó có thể lựa

chọn hệ số k phù hợp với các ứng dụng cụ thể nhằm cân bằng

giữa tính trong suốt và tính bền vững của thủy vân Hướng nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi là thực hiện nhúng thủy vân trên các miền biến đổi để tăng tính bền vững của thủy vân trước nhiều loại tấn công khác nhau

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Watermarking of 3D Mesh Models Base on Redundancy Information”, International Journal of Digital Content Technology and its Applications (JDCTA), vol.6, no.2, February 2012.

of 3D Polygonal Models Based on Vertice Scrambling”, Proceedings

of the Computer Graphics International, 2003.

of Three-Dimensional Meshes Review: Recent Advances and Future Opportunities”, IGI Global, 2010

room-sized dynamic scenes with commodity depth cameras”, Virtual Reality (VR), 2014 IEEE , pp.39-44, March 29 2014-April 2

Reality Exposure Therapy for Combat-Related Posttraumatic Stress Disorder," Computer , vol.47, no.7, pp.31-37, July 2014

Watermarking of Three-dimensional Polygonal Models in the Spherical Coordinate System”, Proceedings of the Computer Graphics International (CGI’04), IEEE 2004, pp 590-593

“Perceptually driven 3D distance metrics with application to watermarking,” in Proc of the SPIE Electronic Imaging, 2006, vol

6312, pp 63120L.1–63120L.12

for 3D mesh watermarking”, IEEE International Conference on Shape Modeling and Applications (SMI) 2010, pp 231-235, Aug

2010