抗几何攻击的BIM模型数字水印算法研究

【摘要】：BIM模型作为一种重要的数据来源和测绘成果被广泛应用到工程设计、建设和城市规划中。互联网技术和大数据时代的快速发展,使得BIM安全问题和违法盗版事件日益增多,BIM的版权保护需求也日益迫切。签订安全保护协议或委托给专业机构和代理人仅仅能约束人的行为,完全依赖人的主观性。因此,在BIM模型的传输和数据共享过程中,需要使用一种行之有效的技术手段来追踪盗版和保护版权信息。数字水印技术作为一种前沿的信息安全技术,可将模型的版权信息融合到BIM模型中成为不可分离的一部分,使用这种方式弥补了依赖人主观行为模式和加解密在数据分发中无法保护数据安全的不足,数字水印技术可以在数据使用的各个阶段实现对BIM模型的版权认证、泄密追踪和事后追究,更加灵活和可靠的为BIM模型提供安全保障机制。区别于三维网格模型和点云模型,BIM模型多应用在工程设计和精细微观分析中,具有高精度、低冗余、文件格式多样、数据一致且自动更新和实体化的特点。目前,现有的三维模型数字水印算法的研究对象为点云模型和网格模型,基于网格模型或点云模型特征而构建的三维模型水印鲁棒水印算法和零算法不能直接应用到实体化的BIM模型中。为了解决BIM模型在数据共享和集成过程中的安全问题,本文研究了 BIM模型水印模型和抗几何攻击的零水印算法和可逆水印算法,研究的主要内容如下:(1)基于BIM和3DGIS集成的平台、技术和应用场景,分析了 BIM模型在不同应用场景中面临的安全问题、现有的安全保障机制、BIM模型特征、数字水印技术特点、攻击方式和评价指标,提出了两种BIM模型的数字水印技术的零水印模型和可逆水印模型,为后续构建BIM模型的零水印算法和可逆水印算法提供了理论基础。(2)从BIM模型高精度和低冗余的特性出发,对不同水印技术性质和特征分析,以BIM零水印技术和水印模型为基础,提出一种基于距离分区的BIM模型零水印算法。算法以密钥生成安全性更高的伪随机序列作为水印信息,根据基准点之间的距离值构造零水印,通过提出的距离分区的方法来增加算法对旋转和平移的鲁棒性。实验表明,提出的零水印算法能够在强不可感知性的前提下对平移、旋转和模型精细程度变化有强的鲁棒性,在BIM模型的版权保护和事后追究中起到重要的作用。(3)针对零水印算法需要权威第三方机构参与和水印检测过程复杂的问题,从BIM模型的可逆水印模型出发,提出一种基于差值和改进的量化调制的BIM模型可逆水印算法。设计了顾及水印容量和数据特征的可逆水印嵌入和提取机制,运用可逆量化调制机制、同步机制和差值的思想来提高水印容量和不可感知性。实验表明,利用差值嵌入水印信息可以有效抵抗平移攻击,使用量化调制中的余数建立与水印信息之间的同步机制可以有效抵抗随机删点和裁剪攻击,同时数据在检测水印过程中去除水印信息同时数据存储精度可以达到10-12级别,能够满足BIM模型的传输和共享需求。