一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法
2023-06-05 04:11:56 4
專利名稱：一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法
技術領域：
本發明涉及一種數字音頻水印方法，具體地說是涉及一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法。
背景技術：
數字音頻可無限複製而不失真，還會在傳輸中被篡改或替換，隱形的數字音頻水印技術應運而生。成功的隱形水印方法必須滿足不可感知性和魯棒性這兩個基本技術要求。對於音頻水印，不可感知性就是聽覺上的透明性，在音頻信號中嵌入水印不應引起可被人耳感知的失真。魯棒性就是在不破壞音質的前提下對音頻信號進行攻擊處理之後，數字水印仍能被可靠提取和正確識別。數字音頻水印方法通常分為時域和變換域兩大類。一般說來，變換域水印方法性能優於時域水印方法，具有更強的魯棒性好，更好不可感知性。目前大多數學者只考慮對常見攻擊的魯棒性，常見攻擊處理有:MP3壓縮、濾波、剪切、重採樣，A/D轉換、幅度縮放、時間伸縮°例如，文獻Robust and High-Quality Time-Domain Audio Watermarking Based onLow-Frequency Amplitude Modification (ff.N.Lie, C.C.L1:1EEE Transactionson Multimedia, 2006，8(1)，pp.46-59)提出了「一種時域的水印方法」，將音頻樣本分割成不等長的音頻樣本，用三個連續的樣本組成一個樣本組GOS (Group of Sample),三個樣本的平均獨立幅度AOAA (Average of Absolute Amplitudes)的差值代表Ibit信息,根據水印信息調整樣本的平均獨立幅度。實驗結果表明，這種音頻水印具有良好的不可感知性，且對MP3壓縮、濾波、剪切、重採樣，A/D轉換、幅度縮放、時間縮放等攻擊有強的魯棒性，但是，該音頻水印對「播放一重錄音」攻擊的魯棒性很差。文獻Robust Audio WatermarkingUsing Perceptual MaskingCM.D.Swanson, B.Zhu, A.H.Tewfik, L.Boney: SignalProcessing, 1998，66(3)，pp.337-355 )提出了一種在頻域上嵌入水印的方法。該方法所述的水印信息是由一段偽隨機序列構成，首先將音頻信號分成若干段音頻樣本，並通過FFT將音頻信號和水印變換到頻域上，將頻域掩蔽效應的音頻水印頻譜的幅度壘加在各段音頻信號的頻譜上。這種方法可以抗色噪聲、MPEG編碼、多重水印和重採樣等攻擊，但依然對「播放一重錄音」攻擊的魯棒性很差。綜上所述，上述音頻水印技術僅考慮從數字音頻文件中提取水印，它們對常見攻擊都具有很強的魯棒性，但是不能抵抗「播放一重錄音」攻擊。這是因為當含水印的數字音頻經硬體設備播放並再次錄音和數位化後，其波形和頻譜均發生重大改變，其攻擊強度遠大於常規的信號處理，因而使水印信息遭到破壞。而且重新數位化中的時間基準和採樣率無法與原始音頻保持一致，所以用通常的方法不能實現水印信息的同步，也就不能從重錄音副本中提取水印。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提出一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法，該方法中的數字音頻水印能夠抵抗重錄音攻擊，從硬體設備播放，重新錄音和數位化生成的副本中可提取水印，實現對重錄音的魯棒性。為實現這樣的目的，本發明設計一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法，該方法主要包括水印同步參考點提取，水印嵌入和水印提取三個環節，具體方法如下:
(1)、提取水印同步參考點:首先，將載體音頻樣本分割為長度相等的音頻幀，提取各音頻幀的半音特徵，獲得12維的半音特徵序列；取出載體音頻信號的第六半音特徵序列，採用高斯低通濾波器對載體音頻信號的第六半音序列平滑處理，得到平滑後的載體音頻信號的第六半音的峰值點；設定水印同步參考點的閾值，取其載體音頻信號的第六半音序列中的峰值點高於水印同步參考點的閾值的峰值點，將高於水印同步參考點的閾值的峰值點對應到時間軸上的音頻信號採樣點，以及載體音頻信號的始端和末端，得到水印同步參考
佔.(2)、水印同步單元的頻域水印嵌入:將待嵌入的水印信息進行編碼，得到二進位水印比特編碼序列；根據上述時間軸上的水印同步參考點，將載體音頻信號分割成長度不等的水印同步單元，然後將各個水印同步單元分成若干個音頻樣本段，通過FFT變換計算各個音頻樣本段的頻譜分量，再計算各個音頻樣本段的低頻頻譜區間的均值，該低頻頻譜區間用於承載上述二進位編碼水印序列嵌入水印；以二進位編碼嵌入水印，各個音頻樣本段音頻嵌入I比特水印，得到含水印的載體音頻；
(3)、水印的提取:對上述含水印的載體音頻進行「播放-重錄音」，將重錄音的載體音頻分割成若干水印同步單元，將各個水印同步單元分割成音頻樣本段；通過FFT變換分別計算各音頻樣本段的頻譜均值，得到各低頻頻率區間的頻譜均值，分別對各音頻段低頻頻譜進行二進位解碼，得到各均值的音頻段區間的水印比特，由各均值的音頻段區間的水印比特構成二進位水印編碼序列；對上述二進位水印序列進行解碼，得到二進位水印比特解碼序列，重建水印信息。本發明提出了一種新的水印方法，該方法從硬體設備「播放一重錄音」過程中可能會引入嚴重的失真和採樣點的失配，然而，從圖8、9比較圖中所顯示的水印提取的比特準確率看出，本發明的水印方法在重錄音攻擊下，水印同步參考點穩定，可以準確地確定水印嵌入和提取的位置，具有抵抗重重錄音攻擊的強魯棒性。
圖1是本發明的一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法的流程 圖2是音頻信號的12個半音 圖3 Ca)是原始音頻的平滑特徵序列；
圖3 (b)是分別是重錄音副本I的平滑特徵序列；
圖3 (c)是分別是重錄音副本2的平滑特徵序列；
圖4是二進位水印編碼序列水印嵌入前的400Hz飛OOHz之間的音頻譜圖；圖5是二進位水印編碼序列嵌入水印「I」以後的400Hz 600Hz之間的音頻譜 圖6是二進位水印編碼序列嵌入水印「O」以後的400Hz飛OOHz之間的音頻譜 圖7是重錄音信號在400Hz 600Hz之間的局部頻譜 圖8是在音頻幀長沒=256，兩種水印段長K不同的情況下，水印提取的比特準確率比較
圖；圖9是在水印段長^值相同，兩種音頻幀長A同的情況下，水印提取的比特準確率比較圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。本發明的一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法，其流程如圖1所示，具體步驟如下:
(1)、提取水印同步參考點
(1-1)將載體音頻信號分割為長度相等的音頻幀，其音頻幀的個數為各音頻幀有
沒=256個採樣點；
(1-2)提取各音頻幀的半音特徵:各個音頻幀通過FFT變換，得到各幀的頻譜分量，從頻譜分量中取IkHz為中心的一個倍頻程，707Hz 1414Hz頻率範圍包含12個半音，將載體音頻信號的半音特徵序列表示為入表示幀數，範圍為[14]，J'代表半音，範圍為[1，12]，如圖2所示，圖中，橫坐標表示載體音頻信號的幀長，縱坐標表示12半音，顏色的深淺表示各個半音的頻譜強度；
(1-3)取載體音頻信號的第六個半音特徵序列Cu，i表示幀數，範圍為[1，Z]，採用窗口寬為20的高斯低通濾波器對載體音頻信號的第六個半音特徵序列Cl 6進行平滑處理，得到平滑後的載體音頻信號的第六個半音特徵序列Ci，如圖3(b)所示，圖中，橫坐標表示載體首頻的首頻巾貞，縱坐標表不C1的幅度；
(1-4)設載體音頻信號的半音 特徵序列Ci的最大峰值的四分之一為選取水印同步參考點的閾值TH;
(1-5)判斷上述載體音頻信號的第六半音序列的峰值點是否高於水印同步參考點的閾值TH，如果上述載體音頻信號的第六半音序列Q6的峰值點是高於上述水印同步參考點的閾值TH的峰值點，則將高於水印同步參考點的閾值TH的峰值點分別記為P1, P2,…，經實驗已表明，在重錄音的攻擊下，高於水印同步參考點具有很強的穩定性，如圖3所示，圓圈表示是高於水印同步參考點的閾值TH的峰值點P1, P2,…；
(1-6)將高於水印同步參考點的閾值TH的峰值點對應到時間軸上的載體音頻信號採樣點，以及載體音頻信號的始端點和末端點，得到# +1個水印同步參考點Sci, S1,…，Sm■
(2)、水印同步單元的頻域水印嵌入
(2-1)將待嵌入的水印信息進行二進位編碼，得到二進位水印比特編碼序列；
(2-2)根據上述時間軸上的# +1個水印同步參考點，將載體音頻信號分割成長度不等的I個水印同步單元；
(2-3)將各個同步單元分成若干包含#個音頻樣本的段，取整數段；
(2-4)通過FFT變換分別計算計算各個音頻樣本段的頻譜分量，再計算K個音頻樣本段的頻譜區間的均值，例如，頻率400Hz飛OOHz之間的譜線，該頻率頻段區間用於承載上述二進位水印編碼序列水印嵌入，見圖4，橫坐標表示400Hz飛OOHz頻率，縱坐標表示頻譜強度；(2-5)以二進位編碼的形式將嵌入水印，各個音頻樣本段音頻嵌入I比特水印，得到含水印的載體音頻，具體如下:1)、各個音頻樣本段音頻嵌入「1」，表示400Hz 500Hz之間的譜線等於1.5萬，50 IHz 600Hz之間的譜線等於0.5萬，見圖5 ;2)、各個音頻樣本段的音頻嵌入「 O 」，表示400Hz 500Hz之間的譜線等於0.5萬，501Hz 600Hz之間的譜線等於1.5萬，見圖6 ；
(3)、水印的提取
(3-1)將上述含水印的載體音頻進行「播放-重錄音」，得到重錄音的載體音頻；
(3-2)將重錄音的載體音頻分割成若干水印同步單元；
(3-3)將上述各個水印同步單元分成若干包含#個音頻樣本段；
(3-4)通過FFT變換分別計算各音頻樣本段的頻譜均值，例如，400Hz 600Hz頻率範圍內的頻譜，400Hz 500Hz和501Hz 600Hz，該兩個頻率區間的頻譜均值分別為萬/、萬/ ；(3-5)對400Hz飛OOHz範圍的頻譜進行二進位解碼，得到各均值的音頻段區間的水印比特；
1)、若盡』> ，則提取音頻段區間的水印為「1」，見圖7，圖中，橫坐標表示400Hz 600Hz頻率，縱坐標表示頻譜強度，
2)、若&〈忍』，則提取音頻段區間的水印為「O」，
(3-6)由各均值的音頻段區間的水印比特組成二進位水印編碼序列，對上述二進位水印序列進行解碼，重建水印信息。為驗證本發明的方法，訪方法中的嵌入水印，根據水印同步參考點分割的音頻樣本段長度是段數#的整數倍，水印嵌入率(每秒嵌入的水印比特數)6小於採樣頻率/；與音頻段長度#之比= fjK。實驗表明，可從「播放一重錄音」的音頻副本中提取水印，誤碼率在(Γ3%之間，與具體的音頻內容有關。圖7所示是一段重錄音信號的局部頻譜，在指定頻率範圍內低端明顯大於高端，可判斷水印數據為「I」。準確率的高低與每幀長和嵌入水印的段長有直接的關係。在音頻幀長3=256，水印段長不同的情況下，J:越大，水印的嵌入量小，但是水印提取的準確率更高，見圖8 ;各幀採樣點數的大小決定了水印同步參考點的準確性，如圖9所示，相同，值越小，重錄音之後音頻水印同步參考點的提取越準確，準確性會有所提聞。
權利要求
1.一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法，該方法主要包括水印同步參考點提取，水印嵌入和水印提取三個環節，具體方法如下: (1)、提取水印同步參考點:首先，將載體音頻樣本分割為長度相等的音頻幀，提取各音頻幀的半音特徵，獲得12維的半音特徵序列；取出載體音頻信號的第六半音特徵序列，採用高斯低通濾波器對載體音頻信號的第六半音序列平滑處理，得到平滑後的載體音頻信號的第六半音的峰值點；設定水印同步參考點的閾值，取其載體音頻信號的第六半音序列中的峰值點高於水印同步參考點的閾值的峰值點，將高於水印同步參考點的閾值的峰值點對應到時間軸上的音頻信號採樣點，以及載體音頻信號的始端和末端，得到水印同步參考佔.(2)、水印同步單元的頻域水印嵌入:將待嵌入的水印信息進行編碼，得到二進位水印比特編碼序列；根據上述時間軸上的水印同步參考點，將載體音頻信號分割成長度不等的水印同步單元，然後將各個水印同步單元分成若干個音頻樣本段，通過FFT變換計算各個音頻樣本段的頻譜分量，再計算各個音頻樣本段的低頻頻譜區間的均值，該低頻頻譜區間用於承載上述二進位編碼水印序列嵌入水印；以二進位編碼嵌入水印，各個音頻樣本段音頻嵌入I比特水印，得到含水印的載體音頻； (3)、水印的提取:對上述含水印的載體音頻進行「播放-重錄音」，將重錄音的載體音頻分割成若干水印同步單元，將各個水印同步單元分割成音頻樣本段；通過FFT變換分別計算各音頻樣本段的頻譜均值，得到各低頻頻率區間的頻譜均值，分別對各音頻段低頻頻譜進行二進位解碼，得到各均值的音頻段區間的水印比特，由各均值的音頻段區間的水印比特構成二進位水印編碼序列；對上述二進位水印序列進行解碼，得到二進位水印比特解碼序列，重建水印信息。
全文摘要
本發明公開了一種可抵抗重錄音攻擊的數字音頻水印方法，其步驟1、水印同步參考點提取將載體音頻信號分割為等長的音頻幀，提取各音頻幀12半音特徵，得到水印同步參考點；2、水印嵌入先將水印信息編碼得到二進位水印比特編碼序列，將載體音頻分割成若干個水印同步單元，將各個水印同步單元分成若干音頻樣本段，通過對各音頻樣本段的低頻區頻譜二進位編碼嵌入水印；3、水印提取在水印提取時，首先根據水印嵌入時所用參數提取的同步參考點，將各個水印同步單元分成相應的音頻樣本段，分別計算各個音頻樣本段低頻頻譜區間頻譜的均值，提取各均值的音頻段區間水印比特，該方法準確確定水印嵌入位置，可抗重錄音攻擊，有很強的魯棒性。
文檔編號G10L19/018GK103208289SQ20131010946
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者鄒婷婷, 王朔中, 馮國婷 申請人:上海大學