一種抗da/ad變換的音頻水印處理方法
2023-06-05 11:28:56 2
專利名稱：一種抗da/ad變換的音頻水印處理方法
技術領域：
本發明屬於多媒體信號處理領域，具體涉及一種基於離散小波變換的抗DA/AD變換的音頻水印處理方法。
背景技術：
近幾年來，數字水印技術在許多應用領域體現了它的重要性，並得到了廣泛的重視。目前大多數數據隱藏的研究和文獻集中於圖像水印。隨著數字音頻的廣泛使用，盜版行為如通過網絡下載、DA/AD設備偷錄等已時有發生。作為一種保護音頻智慧財產權的有效手段，數字音頻水印正在受到越來越多人的重視。
先前的音頻水印技術基本上可以被歸納為二類時域算法和頻域算法。時域算法主要有LSB方法、回聲隱藏(echo coding)等。頻域算法通過改變音頻信號的頻域係數來隱藏水印，如離散傅立葉變換(DFT)，離散餘弦變換(DCT)和離散小波變換(DWT)的係數。頻域技術通常具有較好的魯棒性，因而目前的音頻水印研究主要集中在頻域。以往算法主要針對在數字信道上傳輸時可能面臨的問題來設計，主要考慮MP3壓縮、低通濾波等的影響，基本上不考慮音頻水印在模擬環境中可能碰到的問題。
然而，大量應用需求希望音頻水印在模擬的環境中能夠保留下來，如通過模擬信道傳輸、防止盜版者利用模擬設備轉錄等。這些應用都涉及到DA/AD變換，使得音頻水印的抗D/A和A/D變換成為一個急待解決的問題。目前眾多的有關音頻水印技術的文獻中，都沒有很好地解決這一問題。
顯然，目前還缺少確保水印在模擬環境下存在的有效方法。無論是出於對音頻版權的保護考慮、還是出於為音樂廣播監控提供技術手段，都必須有能夠對抗DA/AD變換的音頻水印技術。目前的音頻水印技術已不能滿足這一要求。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提出一種抗DA/AD變換的音頻水印處理方法，同以往的音頻水印處理方法相比，不僅可以抵抗音頻在數字信道下傳輸時受到的影響，如MP3壓縮、疊加噪聲和低通濾波等，而且解決了以往算法不能解決的抗DA/AD變換的問題，為保護音頻數據的版權提供了一種可靠的手段。
本發明方法的具體技術方案如下該方法包括水印嵌入和水印檢測兩個過程；水印嵌入過程步驟如下1)將待保護的音頻根據嵌入的水印長度分為多幀，對每幀音頻進行離散小波變換(DWT)並得到低頻子帶係數，從每幀音頻的低頻小波係數中用密鑰key1選擇小波係數並分為多組，每組由三個部分組成，用於嵌入一比特信息；2)分別計算每組中三個不同部分的小波係數的絕對值和；3)通過調整每組中三個部分小波係數的的值來嵌入水印信息，每組嵌入1比特；4)重複步驟2)和3)直到水印信息全部嵌入；5)將修改後的DWT低頻係數值進行反變換得到帶有水印的音頻；水印檢測過程如下1)與嵌入時相同，音頻分為多段，進行相應的DWT變換，將用同樣的密鑰key1從每段音頻中選擇出一些低頻小波係數並分為多組，每組分為三個部分；2)計算每組三個部分小波係數的模和，通過比較它們之間的關係來提取水印比特；3)重複步驟2)步直到水印信息全部提取出來。
所述水印嵌入的詳細步驟為1)同步碼為一定長度的m序列，把要嵌入的水印信息W表示為二值序列，設水印序列為W＝{wi}，i＝0，1，...k-1，k為序列長度；2)對要保護的音頻進行分幀，進行DWT變換得到每幀音頻的低頻小波係數，利用密鑰key1獲取要嵌入水印的係數；3)將這些係數等分為多個係數段，三段一組共分成多組；4)L個係數為一個係數段，一組由3L個係數組成，在每組小波係數中，分別計算三段小波係數的絕對值之和，記為E1、E2和E3，按大小排序記為Emax、Emed和Emin，令A＝Emax-Emed，B＝Emed-Emin，設S是嵌入強度，根據E1、E2和E3的大小來動態取值，作如下約定當S≤A-B時表示信息比特為1；當S≤B-A時表示信息比特為0，水印比特的嵌入是通過調整小波係數來修改E1、E2和E3的值實現的；5)重複步驟2)、3)和4)直到水印信息全部嵌入；6)將修改後的DWT係數進行逆DWT變換生成水印音頻；所述水印檢測的詳細步驟為1)搜索在嵌入的同步碼，計算兩個同步碼之間的音頻長度N1，將其與嵌入前已知的兩個同步碼之間用於嵌入水印信息的音頻長度N相比，得到伸縮因子，當N＝N1時，表示在時域上沒有拉伸；2)當存在拉伸時，利用插值算法進行線性伸縮恢復，再進行水印提取，如沒有拉伸，則直接對音頻進行分幀提取水印信息；3)用與嵌入時相同的密鑰key1對每一幀中的DWT低頻係數進行選擇，進行分組計算水印比特；4)將提取的水印比特重新表示為最終的水印信息。
所述水印檢測步驟2)中線性伸縮恢復的具體方法如下
假設F′＝{f′(0)，f′(1)，...f′(L′-1)}為經過D/A和A/D處理後的水印音頻，通過提取同步信號計算兩個同步信號間的音頻長度為N2′，N2為水印音頻F在變換前兩個同步信號間的已知音頻長度，當N2′≠N2時採用公式(11)來進行線性伸縮恢復，相當於一個插值的過程， 其中F″＝{f″(0)，f″(1)，...f″(L-1)}為線性伸縮恢復後的水印音頻，f″(i)和f′(j)分別為F″和F′的第i個和第j個樣本，0≤i≤L-1，0≤j≤L′-1， 為取整函數，α＝(N2′/N2)＝(L′-1)/(L-1)為線性伸縮因子，L′和L分別為音頻F′和F″的長度。
本發明不僅可以有效對抗DA/AD變換對水印帶來的影響，而且對於一些常見的攻擊操作(如MP3壓縮、噪聲等)也有非常好的穩健性。除了可以保護音頻作品在數字信道上的傳輸外，本發明可保護那些通過DA/AD設備的音頻數據，也可用於音樂電臺廣告的監測。
圖1是水印嵌入的流程框圖；圖2是水印檢測的流程框圖；圖3是三段相鄰低頻小波係數分段示意圖；圖4是音頻在DA/AD變換中的噪聲示意圖；圖5是用於測試的音頻波形圖；圖6是音頻在嵌入水印前後的波形圖；圖7是音頻在DA/AD變換後波形圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明方法作進一步說明。
本發明一種抗DA/AD變換的音頻水印處理方法該包括水印嵌入和水印檢測兩個過程。
1.水印嵌入水印的嵌入過程如圖1所示，首先將一段長的音頻分段，每段音頻中隱藏一個同步信號和部分(或全部)水印數據。具體做法是先對每段音頻作小波分解，並將同步信號和水印轉換為{-1，1}序列，然後將{-1，1}的序列嵌入到DWT域的低頻係數中。水印嵌入時採用自適應調節嵌入強度的方式來取得滿足音頻質量前提下的最大。水印嵌入後直接在DWT域計算音頻的SNR值，如果SNR值滿足要求，則進行小波重構得到了嵌有水印的音頻，否則根據一定的規則(下表1)來調整嵌入強度，直到嵌入後的SNR值達到預先規定的要求，再進行小波重構得到嵌有水印的音頻。
表1
具體的嵌入方法描述如下將m序列(同步碼)和水印都轉換為「1」和「-1」的序列。並構造序列syn(i)和wmk(i)。每幀嵌入信息{w(i)}{w(i)∈{-1，1}}的長度為m序列syn(i)與水印信息wmk(i)的長度之和。m序列放到{w(i)}的前部，水印信息放到{w(i)}的後部。隱藏數據的結構如下表2所示表2
在表2中，根據同步信號和水印信息的長度將一段長的音頻信號按表3的方式進行分段表3
將音頻數據分段後，對數據段N1和N2作k層的小波分解，將分別得到N1/2k和N2/2k個低頻小波係數，然後在N1/2k個低頻係數中嵌入同步信號，在N2/2k個低頻係數中嵌入水印信息，從而完成一幀信息{w(i)}的嵌入。
音頻信號在D/A和A/D過程中會發生能量幅度的改變，嚴重影響了基於音頻信號幅度絕對量的嵌入方法的檢測率。所以，本文嵌入方法在採用基於三段相鄰低頻小波係數之間的能量關係來嵌入水印，從而避免了能量幅度改變帶來的問題。由於嵌入是在頻域進行，具有更強的魯棒性。
表3中，分段的長度N1和N2分別由同步信號和水印信息的長度以及小波分解層數和嵌入強度決定，即N1＝3L×2k×(同步碼長度) (1)N2＝3L×2k×(水印信息長度)(2)其中，k是小波分解層數，L為一段低頻小波係數的長度，它的選擇與嵌入帶寬、SNR和抗攻擊要求有關。假設有3L個相鄰的低頻小波係數{c(i)|i＝0，...3L-1}，將其平均分為3段，每段長L，如圖3所示。
則有三段低頻小波係數的能量E1、E2和E3定義如下E1=i=0L-1|c(i)|,]]>E2=i=L2L-1|c(i)|,]]>E3=i=2L3L-1|c(i)|]]>令A=Emax-EmedB=Emed-Emin---(3)]]>其中，Emax＝max{E1，E2，E3}，Emed＝midian{E1，E2，E3}，Emin＝min{E1，E2，E3}。
定義S=PLif(di=03L-1|c(i)|)/3PLPUif(di=03L-1|c(i)|)/3>PU(di=03L-1|c(i)|)/3others---(4)]]>1)如果要嵌入的信息w(i)為「1」，則令A和B滿足A-B≥S (5)如不滿足公式(5)的關係，則同時調整Emax、Emid和Emin三者的大小。
2)如果要嵌入的信息w(i}為「-1」，則令A和B滿足B-A≥S (6)同理，如果公式(6)的關係不成立，則同時調整Emax、Emid和Emin三者的大小。
公式(4)中的d為嵌入強度調整因子，它決定了A和B之間差的大小，由於在D/A和A/D變換過程中有一定的波形失真，因此可以根據抗攻擊能力的要求調整d，以滿足實際的需要。同時，d也是影響嵌入水印後音頻信號質量的重要因素，應在保證水印音頻不可覺察性(一定SNR值)的前提下儘量取大值。PU和PL分別為嵌入強度的上下限，決定了水印抗攻擊能力的大小。D/A和A/D變換過程中的噪聲影響十分大，採用下限PL確保水印的抗攻擊能力。PU為嵌入強度上限，限制因嵌入強度s過大時對水印音頻的影響，可以提高水印音頻的SNR值。PU和PL的選擇與音頻的強度、小波分解層數和分段長度L有關。音頻強度越大、小波分解層數越多、分段長度L越大，上下限的取值也越大。嵌入強度因子d、下限因子SL和上限因子SU對音頻SNR值的影響如表1所示。
2.水印檢測根據音頻水印在D/A和A/D的過程中可能受到在時間軸上的伸縮影響，在使用同步碼的同時提出了基於線性伸縮恢復的水印檢測方法。水印檢測流程如圖2所示提取水印時首先對待檢測的音頻信號進行線性伸縮恢復，再分段作相應的小波分解，從低頻係數中搜索同步信號，找到嵌入水印信息的起始位置，然後從隨後樣本的DWT低頻係數中提取水印。線性伸縮恢復需要知道原音頻的長度，以便決定伸縮恢復因子。一個可行的做法是通過搜尋兩個同步碼，根據它們之間的音頻長度和水印嵌入時的兩個同步碼間已知的原始音頻長度來計算伸縮因子，進而進行線性伸縮恢復。因此這一方案在水印檢測的過程中不需要原始的音頻信息，是一種盲音頻水印算法。
通過線性伸縮恢復，消除了音頻在時間軸上伸縮所帶來的影響。而同步信號的引入和重定位搜索可以定位每一幀嵌入信息的開始點，進而提取水印。
1)線性伸縮恢復假設F′＝{f′(0)，f′(1)，...f′(L′-1)}為經過D/A和A/D處理後的水印音頻，通過提取同步信號計算兩個同步信號間的音頻長度為N2′，N2為水印音頻F在變換前兩個同步信號間的已知音頻長度，當N2′≠N2時採用公式(11)來進行線性伸縮恢復，相當於一個插值的過程。
其中F″＝{f″(0)，f″(1)...f″(L-1)}為線性伸縮恢復後的水印音頻，f″(i)和f′(j)分別為F″和F′的第i個和第j個樣本，0≤i≤L-1，0≤j≤L′-1， 為取整函數，α＝(N2′/N2)＝(L′-1)/(L-1)為線性伸縮因子，L′和L分別為音頻F′和F″的長度。
2)檢測算法假設已經確定了待檢測音頻的開始點，則將按照嵌入水印時的分段規則將音頻數據分段，並做相應層數的小波分解，得到低頻小波係數f′(i)，按照同樣的長度3L計算出相應E1′、E2′和E3′，類似水印嵌入的過程，進一步得到Emax′、Emed′和Emin′，然後計算得A=Emax-EmedB=Emed-Emin---(12)]]>則有w(i)=1ifA-B0-1ifA-B0---(13)]]>下表4顯示了音頻在DA/AD變換中(5種不同的音效卡)樣本發生變換的情況。這種變化的情況與音效卡的性能、播放及錄製時的採樣率有關。
表4
下表5顯示了音頻水印在高斯噪聲、MP3壓縮、低通濾波、重量化和重採樣下的誤碼情況。可以看出，本發明中的水印算法對常規信號處理是非常穩健的。
表5
圖4中，通過播放器播放靜音通過音效卡的揚聲器輸出，然後利用一根電纜連到音效卡的Line in接口，再通過錄音軟體錄製音頻。由於播放的是靜音，所以錄製波形反映了DA/AD變換中的噪聲情況。
圖5中，用於測試的原始音頻是一首量化精度為16、採樣頻率為44100Hz、單聲道、長度約為56秒的笛聲音樂。表示為Original.wav。
圖6中，在嵌入信息時同步信號取一周期為31的m序列，閾值T取為23，水印是一個32比特長的二進位隨機序列。選db2小波基，小波的分解層數為7，L的長度取8。嵌入信息後的音頻表示為Water.wav。前入後SNR為20dB以上，聽覺上不能分別原始音頻和水印音頻的差別。
圖7中，通過播放器播放Water.wav通過音效卡的揚聲器輸出，然後利用一根電纜連到音效卡的Line in接口，再通過錄音軟體錄製音頻。錄製波形反映了水印音頻在DA/AD變換後的情況。可以看出，DA/AD變換後，音頻的能量整體改變了。
權利要求
1.一種抗DA/AD變換的音頻水印處理方法，其特徵在於該方法包括水印嵌入和水印檢測兩個過程；水印嵌入過程步驟如下1)將待保護的音頻根據嵌入的水印長度分為多幀，對每幀音頻進行離散小波變換(DWT)並得到低頻子帶係數，從每幀音頻的低頻小波係數中用密鑰key1選擇小波係數並分為多組，每組由三個部分組成，用於嵌入一比特信息；2)分別計算每組中三個不同部分的小波係數的絕對值和；3)通過調整每組中三個部分小波係數的的值來嵌入水印信息，每組嵌入1比特；4)重複步驟2)和3)直到水印信息全部嵌入；5)將修改後的DWT低頻係數值進行反變換得到帶有水印的音頻；水印檢測過程如下1)與嵌入時相同，音頻分為多段，進行相應的DWT變換，將用同樣的密鑰key1從每段音頻中選擇出一些低頻小波係數並分為多組，每組分為三個部分；2)計算每組三個部分小波係數的模和，通過比較它們之間的關係來提取水印比特；3)重複步驟2)步直到水印信息全部提取出來。
2.根據權利要求1所述的一種抗DA/AD變換的音頻水印處理方法，其特徵是所述水印嵌入的詳細步驟為1)同步碼為一定長度的m序列，把要嵌入的水印信息W表示為二值序列，設水印序列為W＝{wi}，i＝0，1，…k-1，k為序列長度；2)對要保護的音頻進行分幀，進行DWT變換得到每幀音頻的低頻小波係數，利用密鑰key1獲取要嵌入水印的係數；3)將這些係數等分為多個係數段，三段一組共分成多組；4)L個係數為一個係數段，一組由3L個係數組成，在每組小波係數中，分別計算三段小波係數的絕對值之和，記為E1、E2和E3，按大小排序記為Emax、Emed和Emin，令A＝Emax-Emed，B＝Emed-Emin，設S是嵌入強度，根據E1、E2和E3的大小來動態取值，作如下約定當S≤A-B時表示信息比特為1；當S≤B-A時表示信息比特為0，水印比特的嵌入是通過調整小波係數來修改E1、E2和E3的值實現的；5)重複步驟2)、3)和4)直到水印信息全部嵌入；6)將修改後的DWT係數進行逆DWT變換生成水印音頻；
3.根據權利要求1或2所述的一種抗DA/AD變換的音頻水印處理方法，其特徵是所述水印檢測的詳細步驟為1)搜索在嵌入的同步碼，計算兩個同步碼之間的音頻長度N1，將其與嵌入前已知的兩個同步碼之間用於嵌入水印信息的音頻長度N相比，得到伸縮因子，當N＝N1時，表示在時域上沒有拉伸；2)當存在拉伸時，利用插值算法進行線性伸縮恢復，再進行水印提取，如沒有拉伸，則直接對音頻進行分幀提取水印信息；3)用與嵌入時相同的密鑰key1對每一幀中的DWT低頻係數進行選擇，進行分組計算水印比特；4)將提取的水印比特重新表示為最終的水印信息。
4.根據權利要求3所述的一種抗DA/AD變換的音頻水印技術，其特徵是所述水印檢測步驟2)中線性伸縮恢復的具體方法如下假設F′＝{f′(0)，f′(1)，…f′(L′-1)}為經過D/A和A/D處理後的水印音頻，通過提取同步信號計算兩個同步信號間的音頻長度為N2′，N2為水印音頻F在變換前兩個同步信號間的已知音頻長度，當N2′≠N2時採用公式(11)來進行線性伸縮恢復，相當於一個插值的過程， 其中F″＝{f″(0)，f″(1)，…f″(L-1)}為線性伸縮恢復後的水印音頻，f″(i)和f′(j)分別為F″和F′的第i個和第j個樣本，0≤i≤L-1，0≤j≤L′-1，β＝α·i-α·i∈
，·為取整函數，α＝(N2′/N2)＝(L′-1)/(L-1)為線性伸縮因子，L′和L分別為音頻F′和F″的長度。
全文摘要
本發明是一種基於離散小波變換(DWT)、抗DA/AD變換的音頻水印處理方法，屬於多媒體信息安全領域。在本發明方法包括水印嵌入和水印檢測兩個過程；為了抵抗疊加噪聲的攻擊，水印嵌入到小波係數的低頻子帶；為了消除能量變化的影響，三段小波係數作為一組用來嵌入一個比特的水印信息，多組嵌入多比特水印；為了消除時間軸線性伸縮帶來的影響，設計了基於同步碼和插值操作的重同步技術。本發明不僅可以有效對抗DA/AD變換對水印帶來的影響，而且對於一些常見的攻擊操作(如MP3壓縮、噪聲等)也有非常好的穩健性。除了可以保護音頻作品在數字信道上的傳輸外，本發明可保護那些通過DA/AD設備的音頻數據，也可用於音樂電臺廣告的監測。
文檔編號G10L19/00GK1889176SQ200610036499
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月14日 優先權日2006年7月14日
發明者項世軍, 黃繼武 申請人:中山大學