一種基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法
2023-11-04 01:55:57 1
專利名稱：一種基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法
技術領域：
本發明涉及一種可逆音頻水印的嵌入和提取方法，特別涉及一種基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法。
背景技術：
數字信息革命給人類的社會和生活帶來了深刻的變化，同時也帶來了新的挑戰和創新機遇。數字多媒體作品的可完美複製和世界範圍內幾乎不需要代價的分發，使數字版權保護及內容完整性驗證等安全問題成為迫切需要解決的問題。數字水印將一些信息隱藏在數字圖像、視頻或者音頻信號中，已經成為一種保護數字媒體內容安全的有效手段。在現有的大多數數字水印方法中，由於水印信號的引入，宿主媒體會被永久的改變並無法還原到嵌入水印前的狀態。雖然水印引入的失真通常很小並不容易被人的感知系統所察覺，但在一些對數據保真度要求極高的特殊領域中，如醫學診斷圖像、衛星遙感圖像或者法律證據圖像等，任何微小的失真都是不被允許的。因此數字水印技術在這些領域的應用受到了很大的限制。為了解決該問題，人們提出了可逆數字水印的概念，這種水印方案可以保證在提取端將宿主媒體精確還原到其未被嵌入水印時的原始狀態。自從1997年Barton第一次提出可逆水印的概念以來，近年來已有學者提出一些可逆水印算法。已有的算法基本上包括兩種方式，即在空域上嵌入和在頻域上嵌入，由於在空域上嵌入可逆水印，實現相對簡單，嵌入容量大，從而成為最近研究的熱點，空域上的不可見可逆水印主要分為三類基於壓縮、基於差值擴展和基於直方圖修改。基於壓縮的可逆水印主要策略是採用無損壓縮算法對人體感官不易察覺的部分進行壓縮以騰出空間來嵌入水印。例如，Fridrich(J. Fridrich, J. Golian, and R. Du. Invertible authentication[A]. In SPIE Proc. of Security and Watermarking of Multimedia Content. 2002 :197-208)等人針對圖像載體，通過對圖像的最低有效位(Least Significant Bit, LSB)進行壓縮，然後將壓縮後的LSB數據和水印數據一起嵌入到新圖像的LSB中，從而實現了可逆圖像水印算法。該方法的弱點在於其水印的嵌入容量非常有限，且完全依賴於無損壓縮算法的壓縮效率。基於差值擴展的可逆水印主要策略是， 利用載體信號內容存在相關性，即相鄰載體單元(如圖像的像素、音頻的採樣值等)具有相近的值，因而它們的差值比較小，通過擴展差值來將額外的數據嵌入其中。Tian(J. Tian. Reversible data embedding using a difference expansion[J]. IEEE Trans. Circuits Systems and Video Technology. 2003,13(8) :890-896)第一次提出了基於差值擴展(Difference Expansion, DE)的可逆圖像水印，其正是利用相鄰像素之間的關聯性，擴展相鄰像素之間的差值並在其LSB中嵌入水印信息。該方法相比已有的算法來說提高了水印的嵌入容量且降低了圖像的失真，但其附加信息所佔的空間仍然比較大， 像素間的冗餘性也沒有得到充分的發掘。基於直方圖修改的可逆水印主要策略是，利用載體單元的統計特徵，在載體單元或其差值的直方圖上進行修改和移動來嵌入水印，該方法最早有 Vleeschouwer (C. D. Vleeschouwer, J. F. Delaigle, and B. Macq. Circularinterpretation of bijective transformations in lossless watermarking for media asset management [J]. IEEE Trans. Multimedia. 2003, 5 (1) :97-105) 入 出，ftkilil· 動圖像的像素直方圖峰值點兩側的像素以空出位置來在峰值點進行水印嵌入。該方法相比已有算法也提高了水印容量和圖像質量，但仍有提高的空間。基於音頻載體的可逆水印技術是在可逆圖像水印的基礎上發展而來的，目前可逆音頻水印領域僅有3篇相關論文發表。Van der Veen(Michiel van der Veen, Fons Bruekers, Arnovan Lesst and Stephane Cavin,"High capacity reversible watermarking for audio，，，Security and Watermarking of Multimedia V(SPIE), vol. 5020, pp. 1-11，Santa Clara, CA, USA, July 2003)等人提出了基於壓縮擴展技術的可逆音頻水印，該方法通過壓縮音頻採樣值並對壓縮後的採樣值進行移位以空出末尾的比特位來嵌入水印和壓縮後的信息，其嵌入率接近lbit/sample，但其容量仍受到壓縮算法的影響，具有提升的空間。Bradley和Alattar (Brett Bradley and Adnan Μ· Alattar,，，High-capacity, invertible. data-hiding algorithm for digital audio，，， Security, Stenography, and Watermarking of Multime dia contents VII (SPIE), Vol. 5681，pp. 789-800，San Jose, CA, USA, January 2005)提出了一種基於泛化可逆整數變換(Generalized，Reversible, Integer Transform, GRIT)的可逆音頻水印算法，該方法將採樣值序列劃分成由N(N = 2,3,……)個採樣值組成的塊，通過擴展塊內差值來嵌入水印，其水印嵌入率接近lbit/sample，缺點在於採樣值之間的冗餘性沒有得到充分的發掘，嵌入容量有待進一步提高。Yan 禾Π Wang(Diqun Yan and Rangding Wang, "Reversible data hiding for audio based on prediction error expansion", iihmsp, pp. 249-252, 2008International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing, August 2008.)提出了一種基於預測誤差擴展(Prediction-Error Expansion,PEE)的可逆音頻水印算法，該方法利用當前採樣值前面的三個採樣值來預測當前值，然後通過擴展真實值與預測值之間的預測誤差來嵌入水印，其附加信息採用位置圖來處理，因而附加信息所佔的空間較大，造成水印容量的減少。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，該方法使用雙向預測提高預測精度，更好的發掘採樣值之間的冗餘性，利用泛化擴展嵌入水印能一次嵌入η個比特水印，大大提高水印的單次嵌入容量，同時利用邊界表來處理附加信息減少其所佔用的空間，進一步提高水印的有效嵌入容量。本方法在引入較少失真的情況下能嵌入大量的水印。本發明解決其技術問題所採用的技術方案一種基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印算法，包含雙向預測、泛化擴展、水印嵌入過程、水印提取和音頻恢復過程；雙向預測是指利用當前採樣值的前後各一個採樣值來預測當前值；泛化擴展是指對預測誤差進行擴展並用預測誤差末尾的η個比特位來嵌入水印；水印嵌入之前，利用雙向預測計算預測誤差並得到預測誤差直方圖，根據水印容量和η值計算閾值T、LA和LBM ；水印嵌入過程中， 利用泛化擴展嵌入水印，同時構造邊界表並將提取的前LA個採樣值末尾的η比特數據作為還原信息嵌入；接著將LBM、T和邊界錶轉換成2n進位數據並用轉換後的數據替換掉當前塊的前LA個採樣值末尾的η比特數據，最終得到含水印音頻；在水印提取和音頻恢復過程中， 同樣利用雙向預測和泛化擴展，通過水印嵌入方法的逆運算對水印進行提取並無損恢復原
始音頻。所述的水印嵌入過程如下a.將音頻分為兩塊=S1和&，利用雙向預測計算當前塊預測誤差並得到預測誤差直方圖；b.通過預測誤差直方圖、原始音頻、預置的水印嵌入容量以及η值計算LBM、閾值 T 禾口 LA ；C.逐一對音頻採樣值進行類型判斷，根據採樣值類型進行泛化擴展以嵌入水印或移動採樣值，同時構造邊界表；d.若遍歷過的採樣值個數i ( LA，每遍歷一個採樣值則提取該採樣值尾部的η個比特數據並放到待嵌入信息的尾部以備將來作為還原信息嵌入；e.在當前塊水印嵌入完成後，將LBM、T和邊界錶轉換成2"進位數據並用轉換後的數據替換掉當前塊的前LA個採樣值末尾的η比特數據。f.當S1和&均處理完畢後得到含水印的S/，由第一個和最後一個採樣值、S/組成含水印音頻。所述對水印進行提取並無損恢復原始音頻的過程如下a.將音頻分為兩塊S/，利用雙向預測計算預測誤差並得到預測誤差直方圖；b.根據η值提取LBM並計算得到LA，然後提取T和邊界表，將邊界錶轉換成二進位串；c.循環利用泛化擴展逆序提取信息，直到提取出的信息為水印結束標記為止；d.從水印結束標記所在的音頻採樣值開始逆序逐一處理音頻採樣值，通過判斷當前採樣值Xi落入的取值範圍以及邊界表的輔助，對偽邊界值和非邊界值利用泛化擴展的逆運算提取信息並恢復原始採樣值，對真實邊界值不作處理；e.若提取的信息個數num LA，則提取出的信息為水印信息需保存。f.在當前塊水印提取和音頻恢復完成後，若所有塊均處理完畢，則方法結束，否則進行下一塊的處理。最後將恢復的音頻採樣值塊S1和&與第一個和最後一個採樣值組成恢復音頻。在所述的雙向預測過程中，對於當前採樣值Xi，它的前後各一個採樣值分別為χ" 和Xi+1, Xi的預測值PXi按如下公式計算
權利要求
1.一種基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，其特徵在於包含雙向預測、 泛化擴展、水印嵌入過程、水印提取和音頻恢復過程；雙向預測是指利用當前採樣值的前後各一個採樣值來預測當前值；泛化擴展是指對預測誤差進行擴展並用預測誤差末尾的η個比特位來嵌入水印；水印嵌入之前，利用雙向預測計算預測誤差並得到預測誤差直方圖，根據水印容量和η值計算閾值T、LA和LBM;在嵌入過程中，利用泛化擴展嵌入水印，同時構造邊界表並將提取的前LA個採樣值末尾的η比特數據作為還原信息嵌入；接著將LBM、T和邊界錶轉換成2n進位數據並用轉換後的數據替換掉當前塊的前LA個採樣值末尾的η比特數據，最終得到含水印音頻；在水印提取和音頻恢復過程中，同樣利用雙向預測和泛化擴展， 通過水印嵌入方法的逆運算對水印進行提取並無損恢復原始音頻；所述的水印嵌入過程如下a.將音頻分為兩塊=S1和S2,利用雙向預測計算當前塊預測誤差並得到預測誤差直方圖；b.通過預測誤差直方圖、原始音頻、預置的水印嵌入容量以及η值計算LBM、閾值T和LA ；c.逐一對音頻採樣值進行類型判斷，根據採樣值類型進行泛化擴展以嵌入水印或移動採樣值，同時構造邊界表；d.若遍歷過的採樣值個數i< LA，每遍歷一個採樣值則提取其尾部的η個比特數據並放到待嵌入信息的尾部以備將來作為還原信息嵌入；e.在當前塊水印嵌入完成後，將LBM、T和邊界表等附加信息轉換成2"進位數據並用轉換後的數據替換掉當前塊的前LA個採樣值末尾的η比特數據；f.當S1和S2均處理完畢後得到含水印的S/和S2'，由第一個和最後一個採樣值、 S1'和S2'組成含水印音頻；所述對水印進行提取並無損恢復原始音頻的過程如下a.將音頻分為兩塊S/和S2'，利用雙向預測計算預測誤差並得到預測誤差直方圖；b.根據η值提取LBM並計算得到LA，然後提取閾值T和邊界表，將邊界錶轉換成二進位串；c.循環利用泛化擴展逆序提取信息，直到提取出的信息為水印結束標記為止；d.從水印結束標記所在的音頻採樣值開始逆序逐一處理音頻採樣值，通過判斷當前採樣值Xi落入的取值範圍以及邊界表的輔助，對偽邊界值和非邊界值利用泛化擴展的逆運算提取信息並恢復原始採樣值，對真實邊界值不作處理；e.若提取的信息個數num LA,則提取出的信息為水印信息需保存；f.在當前塊水印提取和音頻恢復完成後，若所有塊均處理完畢，則方法結束，否則進行下一塊的處理；最後將恢復的音頻採樣值塊S1和S2與第一個和最後一個採樣值組成恢復音頻。
2.根據權利要求1所述的基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，其特徵在於在所述的雙向預測過程中，對於當前採樣值Xi，它的前後各一個採樣值分別為Xp1和 xi+1，Xi的預測值PXi按如下公式計算
3.根據權利要求1所述的基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，其特徵在於在所述的水印嵌入時的泛化擴展過程中，對於當前採樣值&所對應的預測誤差Pei,其擴展和嵌入水印(b)n的方法如下
4.根據權利要求1所述的基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，其特徵在於所述的水印提取時的泛化擴展過程中，對於當前採樣值Xi所對應的預測誤差Peei,其提取水印(b)n的方法如下
5.根據權利要求3所述的基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，其特徵在於在所述的水印嵌入過程中所使用的邊界表，其構造過程如下 對當前採樣值Xi所對應的預測誤差Pei,(步驟1)若對Pei按照( 進行擴展嵌入水印後，得到的含水印音頻採樣值元滿足條件(6)，則在邊界表中標識「0」代表Xi為原始邊界值，且不對Xi進行任何處理並保持其原值不變；
6.根據權利要求5所述的基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，其特徵在於在所述水印的嵌入和提取過程中用到的參數LBM的值為原始採樣值中落入取值範圍 ⑶的採樣值個數，T為根據預置的水印嵌入容量Capacity和η值計算得到的可擴展預測誤差的閾值，即最大值，T需滿足(9)其中，PEnum為落入取值範圍IpeiI≤T的預測誤差個數，BS為落入取值範圍IpeiI≤T中的真實邊界值個數，LA表示所有附加信息佔用的空間大小，附加信息包括LBM、T、邊界表、1比特的邊界表結束標記和η比特水印結束標記；LA的計算公式為
全文摘要
基於雙向預測和泛化擴展的可逆音頻水印方法，包括雙向預測，指利用當前採樣值前後各一個採樣值來預測當前值；泛化擴展，指對預測誤差進行擴展並用預測誤差末尾n個比特位來嵌入水印；水印嵌入前，利用雙向預測計算預測誤差並得到預測誤差直方圖，根據水印容量和n值計算閾值T、LA和LBM；嵌入過程中，利用泛化擴展嵌入水印，構造邊界表並將提取的前LA個採樣值末尾的n比特數據作為還原信息嵌入；將LBM、T和邊界錶轉換成2n進位數據並用轉換後的數據替換掉當前塊的前LA個採樣值末尾的n比特數據，得到含水印音頻；在水印提取和音頻恢復過程中，利用雙向預測和泛化擴展，通過水印嵌入方法的逆運算對水印進行提取並無損恢復原始音頻。
文檔編號G10L19/00GK102169691SQ20111008542
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月6日 優先權日2011年4月6日
發明者楊小澎, 熊璋, 羅立新, 範圍, 陳真勇 申請人:北京航空航天大學