二维CAD图形可逆水印理论与方法的研究

Two-dimensional (2D) CAD graphics is a kind of vector graphics. It has high requirements in fidelity and precision, and any unrecoverable distortion should be avoided in its protection. Reversible watermarking is an effective means for the protection of digital contents. Since it can lossless recover the original host after the watermark is extracted, it is well suited for the content protection of 2D CAD graphics. The existed researches on reversible watermarking are mainly made to raster images and vector maps. However, few works have been done to 2D CAD graphics, and they still have limitations in watermark capacity, robustness and capability of tampering location. Furthermore, compared with other digital contents, the data in 2D CAD graphics have lower correlation and more abundant entity types, so the realization of its reversible watermarking is more difficult. To countermeasure these situations, this proposal will be concentrated on the research of reversible watermarking model for 2D CAD graphics, semi-fragile reversible watermarking for 2D CAD graphics, reversible watermarking for 2D CAD graphics in encryption domain, performance evaluation methods for the reversible watermarking for 2D CAD graphics, and prototype system of reversible watermarking for 2D CAD graphics. Through the research of the key technologies, algorithms and evaluation methods of 2D CAD graphics, it will not only establish a theoretical foundation for reversible watermarking for 2D CAD graphics, but also provide a novel effective means for the content protection and security authentication of 2D CAD graphics in a networked environment.

二维CAD图形是一种矢量图形，它具有高保真与高精度等要求，因此，其安全保护应避免无法恢复的失真。可逆水印是数字内容安全保护的一种有效手段，它能无损地恢复出原始载体，故特别适合二维CAD图形的内容保护。已有可逆水印研究大多面向栅格图像和矢量地图，针对二维 CAD图形的可逆水印研究较少，且在水印容量、鲁棒性和篡改定位能力等方面还存在不足；此外，相对于其他数字内容，二维CAD图形的数据相关性低、图元类型丰富，其可逆水印的实现更为困难。基于此，本申请拟研究二维CAD图形可逆水印模型、二维CAD图形半脆弱可逆水印方法、二维CAD图形加密域可逆水印方法、二维CAD图形可逆水印性能评测方法，以及二维CAD图形可逆水印原型系统等。通过对二维CAD图形可逆水印关键技术、算法与评测方法的研究，不仅为二维CAD图形可逆水印奠定理论基础，也为网络环境下二维CAD图形的内容保护与安全认证提供一种新的有效途径。

随着数字化设计及制造技术的发展，计算机辅助设计（CAD）普遍应用于产品和工程的设计。除了二维CAD工程图以外，由二维CAD工程图所衍生的二值工程图纸、STL模型、三维打印品等都逐渐成为了工业制造中不可或缺的一部分。然而，这些数据的安全问题，如：版权侵犯、非法篡改、制假售假等，都严重损害生产者的利益。为此，亟待研究有效的手段对二维CAD工程图等进行保护。数字水印作为一种有效的版权防护手段，已被广泛用于各类载体中。本项目针对二维矢量图、二值图纸、STL模型等数据相关性低的载体，开展可逆水印技术研究。项目的主要研究工作包括：. （1）针对二维CAD工程图，构建了二维CAD工程图形可逆水印模型，之后根据该模型提出了多个可逆水印算法；通过对载体的半脆弱性研究，提出了多个用于篡改定位的可逆水印算法；此外通过对差值扩展法的改进，提出了面向网络制造的加密域信息隐藏算法。通过对上述成果的综合应用，设计开发二维CAD工程图形水印系统。. （2）对于工程图纸质图纸，提出了基于形态学与网格构造的二值图像校正方法、基于加性噪声模型与置乱的二值地图抗打印扫描水算法、基于DCT变换与图像置乱的二值地图抗打印扫描水印算法和彩色工程图纸抗打印扫描水算法。在上述方法的基础上，研制了一个纸质图纸泄密追踪工具原型。. （3）针对STL模型，提出了基于表示域实体重排序的高容量无失真水印算法以及基于比特位映射和实体重排序的无损水印算法，验证水印技术保护STL模型的有效性。. （4）对于三维打印物品防伪认证，提出了基于3D打印设备噪声模型的防伪认证算法。对3D打印与产品观察过程中引入的噪声信息进行了分析，通过构造通用的打印标记，并从中获取3D打印设备的随机噪声来构造实体防伪认证方法。. 本项目研究共发表论文25篇，其中SCI收录13篇，EI收录12篇。另申请发明专利三项并进入实审，研制软件工具系统三个并获得软件著作权；共计培养博士研究生1名，硕士研究生15名，本科生11人。