利用三維動畫骨骼數據的數字水印算法

李亞琴 方立剛 廖黎莉,2 楊元峰

1(江蘇省現代企業信息化應用支撐軟件工程技術研發中心 江蘇 蘇州 215104)2(蘇州大學 江蘇 蘇州 215104)

0 引 言

隨著網絡技術的不斷發展，信息傳播、信息共享越來越便利，除了使用電腦外，手機端處理文字、圖片、音樂和視頻等也很方便。但是，微信朋友圈、QQ空間、微博里的圖片和視頻可以任意下載轉發，這樣的便利性為版權保護帶來了史無前例的壓力。三維動畫因其高仿真性和大信息量，應用越來越廣泛，所以三維動畫的版權保護也應受到高度重視。

數字水印技術在版權保護方面的功能強大，已經受到人們的廣泛關注，其在文字、圖片、音頻、視頻等方面的應用已相當成熟[1]。同樣，數字水印技術也可應用到三維動畫領域，利用優秀的算法來保護三維動畫的版權。

迄今為止，關于數字水印技術用于保護動畫版權已有若干研究。文獻[2]選取動畫的關鍵幀參數，利用DCT變換、輪廓波變換來嵌入水印，并輔助置亂技術提高算法的安全性。文獻[3]從理論角度描述了動漫作品中數字水印的添加與應用。文獻[4]提出一種數字水印方案，旨在保護SWF矢量動畫的版權，水印的攻擊類型比較獨特。文獻[5]提出了一種應用于三維動畫變換域的算法，采用了離散小波變換和離散余弦變換。文獻[6]提出一種針對二維Flash動畫的數字水印算法，將灰度圖像壓縮置亂加密后嵌入到原始SWF格式的動畫中。文獻[7]將二值水印圖像置亂后按照行列順序嵌入到二維SWF格式動畫的圖形文件中。文獻[8]利用MATLAB平臺，將置亂后的水印圖像嵌入二維swf文件的結束標簽之后，不影響動畫的正常播放。文獻[9]提出的水印方案提取時不需要原始水印信息或密鑰，以修改LSB的方法將水印編碼后嵌入到二維動畫的嵌入點序列中。文獻[10]提出了一種針對三維動畫材質參數的數字水印,將動畫中的材質參數形成一個矩陣,利用嵌入算法將水印信息嵌入到材質參數中,算法隱蔽性非常好,且因為材質參數數量巨大,故算法嵌入量較大。

通過對現有技術和算法的分析，本文提出了一種用于保護三維動畫版權的數字水印算法，將數字水印信息嵌入到三維動畫中的骨骼數據中，由于骨骼創建后是在角色身體內部的，所以算法具有很好的隱蔽性。

1 三維動畫中的骨骼數據

在三維動畫中，按照動畫情節需要，角色欲通過表情和肢體動作來表現動畫主題，渲染動畫氣氛，就要用到骨骼技術來制作動畫。為角色添加骨骼，調整骨骼的尺寸、角度和位置，并將骨骼綁定到角色。骨骼涉及的參數有高度、寬度、錐化度、鰭的大小、始端錐化、末端錐化等。一部三維動畫中為角色添加若干段骨骼，每段骨骼都有自己的參數，在動畫中，通過骨骼旋轉和位置變化，來表現角色的動作。

2 水印嵌入算法

3D MAX中可以制作多種類型的動畫，其中一種是骨骼動畫，為角色創建骨骼，根據角色的特點和動作需要，修改骨骼的參數，并通過蒙皮把骨骼與角色結合起來，通過動態地調整骨骼動作，從而完成動畫效果。

第一步 采集一部三維動畫中的全部骨骼數據(如果骨骼數據量太大，采集部分有效的主要骨骼數據即可)，組成一個矩陣，記為A。

第二步 對矩陣A進行Householder變換，得到矩陣H。

第三步 對矩陣H進行Schur分解，得到n階酉矩陣U和上三角矩陣T。

第四步 選取有效的水印信息，建議選取能代表作者身份的有意義的信息作為水印，將水印信息轉化為矩陣，記為W=[w1,w2,…,wn]。

第五步 將水印矩陣W=[w1,w2,…,wn]嵌入到矩陣T的n個特征值λ1，λ2，…,λn中。

嵌入過程：

(1) 通過算法找出λi(i=1,2,…,n)中的最小位，記為λmin；

int arr[n];

int i,min;

min=arr[0];

for(i=0;i

{

if (arr[i]

min=arr[i];

}

(2) 通過異或“⊕”運算，比較wi與λi min是否相等，若不相等，用wi代替λi min；

if(wi!=λi min)

λi min=wi;

依次執行上述嵌入步驟，將水印矩陣W=[w1,w2,…,wn]嵌入到矩陣T的n個特征值λ1，λ2，…，λn中，修改后的T記為T*。

第六步 利用矩陣U和修改后的矩陣T*，重組矩陣A，重組后得到的矩陣記為A*，A*=UT*U-1，A*是嵌入水印的骨骼數據矩陣。

第七步 利用A*中新的數據來修改動畫中的骨骼參數，從而得到嵌入水印的動畫。

3 水印提取算法

當三維動畫的版權發生糾紛時，可以在目標動畫中提取水印，提取步驟如下：

第一步 按照嵌入算法中的順序和規則,收集動畫中的骨骼數據，組成矩陣B。

比較步驟：

(3) 執行結束后，W*中存儲的即是提取出的水印信息。

intw*[50],λ[50],λ*[50],i,j;

for (i=0;i<50;i++)

for (j=0;j<50;j++)

{if (λ[i][j]！=λ*[i][j])

w*[i]=λ*[i][j]}

第四步 將矩陣格式的W*還原成原始水印信息的格式，便于與原始水印比較。

4 算法性能分析

為了驗證算法的性能，本文做了大量的實驗，在此列舉一例。實驗選擇一部恐龍大戰毒甲蟲的三維動畫短片，動畫共有800幀。動畫中有恐龍和毒甲蟲兩個角色，共有174段骨骼，每段骨骼有自己的參數，收集所有有效骨骼參數組成一個64×64的二維矩陣。實驗在3DS MAX 2014、MATLAB 2011b和Visual C++ 6.0環境下完成。

按照本文提出的嵌入算法，將作者的18位二代身份證號碼嵌入動畫中，隨后對含有水印信息的動畫進行攻擊，以驗證算法的可靠性、有效性等性能。圖1是在MATLAB中設計的實驗的GUI界面，然后在相應組件和按鈕的callback中編寫代碼完成實驗，得到實驗結果。

圖1 實驗的GUI界面

水印嵌入后，由于骨骼是隱藏在角色內部的，所以肉眼看不出區別。為了通過數據來定量地比較嵌入水印前后視頻的變化，將3DS MAX動畫的所有幀渲染成連續的靜態圖片，原始動畫和嵌入水印的動畫各有225幀，以渲染連續靜幀圖片的形式渲染后，兩部動畫都各生成225幅連續的圖片，每一幅圖片對應一幀畫面。將對應位置的兩幅圖片分別求峰值信噪比，最后將225個峰值信噪比的數據平均，得出本文算法的峰值信噪比PSNR為44.925 4。結果證明本文算法的水印隱蔽性較好，不會影響動畫的觀賞效果。本文PSNR值與其他文獻的比較結果如表1所示。

表1 本文方法PSNR值與其他文獻方法的比較

原始骨骼數據矩陣A和嵌入水印信息后的骨骼數據矩陣A*的相關系數為0.996 2，再次證明本文算法具有很好的水印透明性。

圖2為原始動畫中第0幀、第60幀、第120幀、第180幀的場景。

(a) 第0幀 (b) 第60幀

(c) 第120幀 (d) 第180幀圖2 原始圖像

圖3是水印動畫中第0幀、第60幀、第120幀、第180幀的場景。

(a) 第0幀 (b) 第60幀

(c) 第120幀 (d) 第180幀圖3 水印動畫

由圖2、圖3可以看出，水印信息嵌入在角色的骨骼中，骨骼又被包裹在角色的身體內部，所以肉眼無法察覺水印，水印的隱蔽性非常好。三維動畫在嵌入水印后，幾乎不影響觀看效果。

對含有水印信息的三維動畫實施攻擊，攻擊類型選擇的是針對三維動畫特點的攻擊。

(1) 增減骨骼數量。本動畫中共有174段骨骼，實驗中，通過移除骨骼、連接骨骼的方式將骨骼數量最低減少到170，骨骼參數組成63×63的矩陣，從中提取水印，提取水印與原始水印的相關系數為0.945 6。由于過多減少骨骼會影響角色的動作，破壞動畫的效果，所以攻擊者不能大幅度地減少骨骼，故此相關系數幾乎是最差情況了。同樣，通過創建骨骼、細化骨骼的方式將骨骼數量最高增加到178，骨骼參數組成65×65的矩陣，從中提取水印，提取水印與原始水印的相關系數為0.953 9。表2為增減骨骼數量，提取水印與原始水印的相關系數。

表2 增減骨骼數量，提取水印與原始水印的相關系數

(2) 改變骨骼參數。實驗中，通過調整工具修改部分骨骼的參數。由于骨骼參數調整過多，在動畫中會出現露骨等穿幫鏡頭，所以攻擊者不能大肆改變骨骼數據，本次最多修改了動畫中8段骨骼的部分數據，提取水印與原始水印的相關系數為0.902 4。表3為修改骨骼參數的數量，提取水印與原始水印的相關系數。

表3 修改骨骼參數的數量，提取水印與原始水印的相關系數

續表3

(3) 文件壓縮。使用格式工廠、貍窩視頻轉換器、萬能視頻格式轉換器等軟件對動畫進行壓縮或者文件格式轉換。為了不影響動畫的視覺效果，大多的壓縮算法主要選擇動畫背景和其他肉眼難區別的非重要元素[9]，而對于主要的運動元素不會做過多處理，本文算法將運動物體的骨骼參數作為水印嵌入載體，所以抗壓縮能力較強。并且算法是將水印嵌入到角色的骨骼數據中，輸出動畫文件被壓縮時對源文件中的角色骨骼不會造成影響。

(4) 修改動畫播放時間。同樣的動畫情節，增加或減少動畫的播放時間僅會導致動畫播放速度加快或降低，所以對水印影響較小。表4為增加或減少動畫的播放時間，提取水印與原始水印的相關系數。

表4 增加或減少動畫的播放時間，提取水印與原始水印的相關系數

(5) 二次水印。二次水印即在同一數據載體中，在已經嵌入水印的基礎上，再次加入另外的水印信息。二次水印攻擊會使水印信息之間互相影響，導致無法正常檢測出其中一個或多個水印。

在動畫中，利用嵌入算法再次嵌入一個不同的身份證號碼，然后利用提取算法提取出2個水印，通過比較，提取水印與原始水印的相關系數為0.869 4。

5 結 語

3D電影是目前喜聞樂見的一種電影形式，三維動畫的應用范圍也隨之越來越廣。需要一種有效的版權保護技術來維護三維動畫的知識產權，保護動漫作品的版權，維護動漫公司的經濟利益，形成一種良好的原創氛圍。本文提出一種利用三維動畫骨骼數據的數字水印算法，把骨骼數據作為嵌入載體，也可以選擇骨骼權重參數等，具有很好的延伸性。但算法性能如魯棒性等方面還需改進，下一步將把算法應用到動漫專業學生作品中做進一步深入研究。