随着计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术的发展,制造业通过信息化大幅提高生产效率的同时也面临着一系列安全问题,如产品的设计图纸被恶意篡改、储存于云端的图纸被泄露、生产的成品被伪造等。为解决上述问题,防止生产商的权益遭到侵犯,对制造数据进行有效的安全保护已成为国内外学术界和工程界关注的焦点。针对上述问题,本文重点研究二维矢量工程图的可逆水印、完整性验证方案、加密域信息隐藏,以及三维打印品认证等技术的理论与方法。论文的主要贡献包括:(1)基于仿生蜘蛛网提出一种无几何失真的二维矢量图篡改定位可逆水印算法。为解决传统认证方法中水印因对文件流读写顺序的依赖而导致鲁棒性不足,以及因移动顶点而引入几何失真的问题,提出了一种为实体增加顶点的方法从而嵌入存在几何关联的水印。在此基础上提出了一个仿生蜘蛛网算法。算法在嵌入阶段根据图形的凸包与密钥生成两个不同的蜘蛛网,在原有实体与第一个网的相交处增加伪断点,再分别记录第二个网中每根蛛丝与原有实体的相交次数。在篡改不改变矢量图形凸包的前提下,通过再次生成相同的蛛网并分析其与图形的相交情况可实现实体级的篡改定位。实验结果与分析表明,与同类型算法相比,该算法不改变任何原有实体的外形,具有更好的不可见性。此外该算法还对全局旋转、全局缩放、全局平移(RST)、实体重排序等不改变图形拓扑的操作鲁棒。(2)提出了一个基于区域嵌套的低失真二维矢量图可逆水印算法。在已有划分平面方法的基础上,提出了一种把每个正方形区域划分成2~n个嵌套水印子区域的平面划分方法。之后通过把原区域中的顶点映射到水印对应的子区域中实现水印嵌入,并通过顶点的位置提取水印,再通过逆映射还原顶点原始坐标。此外,算法还利用参考顶点构建坐标系以增强对RST的半脆弱性。实验结果与分析表明,在同等条件且不扩展载体的前提下,本方法的不可见性与同类算法相比至少提升10%,且算法在容量和鲁棒性等方面均具有良好的性能。(3)提出了一种基于改进区域嵌套方法的二维矢量工程图半脆弱完整性认证方案。对区域嵌套进一步研究后发现,该算法中大部分原始顶点及其映射目标不在一条直线上。据此提出的改进区域嵌套算法可以令不可见性提升最少15%。在此基础上,通过为每个顶点单独生成其周边几何特征的哈希值并嵌入到顶点中,可对篡改进行顶点级的定位。最后,算法还基于几何特征构造坐标轴以提高半脆弱性。实验结果与分析显示,提出的算法在半脆弱性、不可感知性,以及定位性能方面,与已公开的同类算法相比达到最优。(4)提出了一个基于实数可逆映射模型的加密二维矢量图信息隐藏算法。针对加密矢量图的可逆信息隐藏提供理论依据,首先提出了一个基于实数的可逆信息隐藏模型。该模型把R~n空间中的点映射到R~n空间的2~s个非相交子集中,从而保证每个实数都能可逆地嵌入s比特。随后,基于该模型提出了一个加密二维矢量图可逆信息隐藏算法。在该算法中,用户先加密顶点坐标,随后把加密图形上传到云端;云服务商在信息隐藏密钥的控制下通过修改加密后的顶点坐标实现信息的嵌入、提取或图形的恢复。授权用户可以从云端获取恢复后的加密图形,并通过密钥与解密得到原始图形;而非授权用户则会获得加密的含密图形,即使有解密密钥也只能得到含密的近似图形。实验结果显示,算法能在失真、安全性,以及容量方面达到较好的平衡。(5)提出了一种基于改进设备失真模型的三维打印品认证算法。随着三维打印技术的普及,越来越多的消费品通过三维打印机所制造。然而另一方面,这也令伪造者越来越容易生产赝品,从而令原厂商的权益受到侵犯。为了解决这个问题,通过改进设备失真模型,提出了改进的三维打印特征(3DPS)构建方法。该方法先在三维模型的非关键平坦部分添加特定形状的孔,并在打印后利用手持显微镜提取孔的轮廓并计算其特征值,之后通过比较特征值的差异验证产品的真伪。与已有工作相比,该算法改进了设备失真模型和特征的构造方法,并且可以直接计算阈值。理论分析和实验结果表明,3DPS不仅可以准确地对三维打印品进行验证,而且还具有一定的鲁棒性和安全性,认证成本也显著低于现有方法。