基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法

2023-06-16 19:17:26 3

專利名稱：：基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法
技術領域：
：本發明涉及一種信息安全
技術領域：
的音頻處理方法，具體涉及一種基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法。
背景技術：
：音頻水印中透明性和魯棒性是一對矛盾體，這個矛盾如果解決不好，將影響音頻水印嵌入和提取方法的應用。但目前不可感知性和魯棒性並不影響水印的可行性。然而，如果水印方法本身存在漏洞，而使得水印系統存在致命的安全性問題，給攻擊者可乘之機，那麼水印系統的可行性將被置疑，可見安全性的問題是很重要的。安全性問題將通過下面介紹的可逆水印概念加以闡述。對於一個水印系統(￡，￡>)(￡表示水印嵌入方法，Z)表示水印提取方法)，令0^-E(0，W)，如果存在一個映射f'，滿足下列三個條件(1)formulaseeoriginaldocumentpage5(2)formulaseeoriginaldocumentpage5(3)formulaseeoriginaldocumentpage5則稱該水印系統為可逆(Invertible)水印系統。其中，要求原始水印信號w和偽造水印信號w'的格式滿足系統的要求，同時偽造原始載體O'和水印載體(^具有足夠的相似度，則水印系統(E,D)是可逆的，否則就是不可逆的(Noninvertible)水印系統。經對現有技術文獻的檢索發現，WangX,Y.等在《IEEETransactionsonSignalProcessing(電氣與電子工程師學會信號處理期刊)(2006年54巻12期4835-4840)上發表的"ANovelSynchronizationInvariantAudioWatermarkingSchemeBasedonDWTandDCT"(—種新穎的基於DWT和DCT的同步音頻水印系統)，提出了基於DWT和DCT的音頻水印方法進行了抵禦正常音頻信號處理和惡意攻擊的魯棒性的以及透明性的對比，但是該文獻提出的方法無法從根本上解決音頻水印魯棒性和不可感知性之間的固有矛盾，並且這種方法抵禦各種惡意攻擊的魯棒性還有待於提高。
發明內容本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，提出一種基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，與傳統的音頻水印方法不同，該方法並沒有把水印真正嵌入到音頻載體中，而是通過提取載體音頻的重要特徵構造水印信號，並利用這些重要特徵實現水印的盲檢測。該方法不僅從根本上解決了音頻水印中魯棒性和不可感知性之間的固有矛盾，同時彌補了由於嵌入算法的存在所造成的可能安全漏洞。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括水印嵌入和水印提取兩部分，水印嵌入部分包括如下步驟第一步，將原始音頻信號進行分段處理；第二步，對每一段音頻進行離散小波變換(DWT)以提取其小波近似分量；第三步，對第二步中獲得的小波近^l分量進行離散餘弦變換(DCT)以進行能量壓縮；第四步，對第三步中經過離散餘弦變換的小波近似分量進行矢量量化；第五步，根據矢量量化的索引值的統計特性構造極性矢量；第六步，通過對極性矢量和即將嵌入的原始水印信號進行異或運算將水印嵌入到檢測密鑰中去，並在認證中心申請檢測密鑰的時間戳；水印提取部分包括如下步驟首先，採用與水印嵌入部分中第一步到第五步相同的方法從待測音頻信號中獲得極性矢量；然後，對極性矢量和水印檢測密鑰進行異或運算獲得提取的水印信號。所述將原始音頻信號進行分段處理，具體為將原始音頻載體信號A分割成長度相等的MxV幀，表示為(Fil!'-0，…,AfxiV-l}，每一幀含有；個採樣點，其中Lf=Z^/(A/xA0，A-"(fl(w)l"-0,…，Z^-1},a(")為第"個採樣值，Lj為原始音頻載體包含的採樣個數。所述對每一段音頻進行離散小波變換提取其小波近似分量，具體為對每幀音頻數據1^進行//級小波變換，得到小波分量A,"，D廣，D,-'，…，D,1，其中A,為第/幀F;小波變換的第H級小波近似分量，D,",D,-\，Di1分別E小波變換的第/zai級細節分量。所述對小波近似分量進行離散餘弦變換，具體為考慮到小波近似分量能夠有效抵禦各種幹擾，因此選擇H級小波變換的近似分量A,"進行離散餘弦變換，即A,"c-DCr(A,.")。所述對第三步中經過離散餘弦變換的小波近似分量進行矢量量化，具體為對每一幀的DWT-DCT係數進行矢量量化(VQ)，並根據所得的索引值構成向量Y，即r—y(,)卜0，…,MW—lf，矢量量化所用的碼本是由每一幀的DWT-DCT係數構成的訓練集通過LBG(—種矢量量化碼本訓練方法)模型獲得的，公式如下Y-(JKj2(A,c)=[J>2(m)—^!>(m)]2然後，根據C7')由以下兩式得到極性矢量P:P=(Ji'-0fl，^cr2(/)2/we^m[a2(/)]=〗'。0，of/rcnvtsc所述對極性矢量和即將嵌入的水印信號進行異或運算將水印嵌入到檢測密鑰中，具體為即將嵌入的二值圖像水印信號為W={w(Z，7)|vv(!，_/)e{0，l}，,'=0,".，A/—1，/=，—A/、V分別為圖像的寬度和長度，w(/，"表示(Z，7')點的水印信號象素值，進行異或運算具體為=/=(,-l)xA^+/，其中p(/)為極性矢量的元素，*(/)是檢測密鑰的元素，則檢測密鑰為K={)fc(/)，/=0，一，MxiV-l}。所述對極性矢量和水印檢測密鑰進行異或運算獲得提取的水印信號，具體為Z=(l-l)xAT+y，其中w(/，/)表示(!，/)點的水印信號象素值，p(/)為極性矢量的元素，fc(/)是檢測密鑰的元素。與現有技術相比，本發明包括如下有益效果本發明中原始音頻載體、檢測密鑰以及相應的時間戳將被註冊到認證中心以證明其對音頻作品的版權。第一，本發明從根本上解決了魯棒性和不可感知性之間的固有矛盾；第二，本發明避免了由於水印嵌入算法的存在所造成的可能的安全漏洞；第三，水印提取不需要原始音頻信號的參與。圖l是水印嵌入方法流程圖；圖2是水印提取方法流程圖；圖3是本發明方法的有效性測試結果圖其中(a)原始音頻載體信號，(b)原始水印圖像，(C)提取的水印圖像；圖4是本發明方法安全性測試結果圖其中(a)嵌有水印的音頻載體信號，(b)、(c)未嵌入水印的音頻信號，(d)為從(a)中提取出的水印，(e)從(b)中提取出的水印，(f)從(c)中提取出的氷印；圖5為本發明方法在各種操作下提取的水印圖像其中圖(a)為無信號處理、圖(b)為Mp3壓縮/解壓縮、圖(c)為低通濾波、圖(d)為重新採樣、圖(e)為疊加噪聲、圖(f)為延時、圖(g)為疊加回聲、圖(h)為幅度放大、圖(i)為重新採樣；圖6是對比文獻的方法在各種攻擊情況下的水印圖像其中圖(a)為No-attack、圖(b)為Addbrumm100、圖(c)為Addnoise100、圖(d)為Addsinus、圖(e)為Compressors圖(f)為Dynnoise、圖(g)為Exchange、圖(h)為Fft,real,reverse、圖(i)為Normalize、圖(j)為Rc-lowpass、圖(k)為Smooth、圖(1)為Smooth2、圖(m)為Statl、圖(n)為Stat2、圖(o)為Zerocrosss圖7是本實施例方法在各種攻擊情況下的水印圖像其中圖(a)為No-attack、圖(b)為Addbr醒100、圖(c)為AddnoiselOO、圖(d)為Addsinus、圖(e)為Compressor、圖(f)為Dynnoise、圖(g)為Exchange、圖(h)為Fft.real,reverse、圖(i)為Normalize、圖(j)為Rc-lowpass、圖(k)為Smooth、圖(1)為Smooth2、圖(m)為Statl、圖(n)為Stat2、圖(o)為Zerocross。具體實施方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。本實施例中使用的原始音頻載體為44.1kHz，解析度為16比特，長度為17.24秒的單聲道數字音頻信號，其波形如圖3(a)所示。數字水印採用的是尺寸為66x90的二值圖像(見3(b))。小波變換採用了常見的Haar小波基。小波變換的級數為//=4,碼本的尺寸為8，幀長為128個採樣點。則在沒有任何攻擊的情況下提取的水印圖像如圖3(c)所示。本實施例包括水印嵌入過程和水印提取過程兩部分。如圖1所示，水印嵌入過程具體如下原始音頻載體信號為a—fl(")卜-0,…，76027"，其中，fl(")為第"個採樣值，原始音頻載體包含的760280個採樣值，即將嵌入的二值圖像水印信號為w={w(/，/)E{0,1}，i.=0，...，65，_/=0，...，89}。步驟一將原始音頻載體信號A分割成長度相等的5940幀，表示為{f;|/=0，"，5939}，每一幀含有128個採樣點；步驟二對每一幀音頻數據f;進行4級小波變換，得到小波係數a,4,d,4，d,.3，d2,d,1。其中a,.4為第/幀f;小波變換的第4級近似分量，d,4，d,3，d2，d,1分別f;小波變換的第4□1級細節分量；步驟三考慮到小波域的近似分量能夠有效抵禦各種幹擾，這裡選擇4級小波變換的近似分量a,.4進行dct，即a,-DCT(a,4);步驟四首先，對每一幀的dwt-dct係數進行矢量量化(vq)，所用的碼本是由每一幀的DWT-DCT係數構成的訓練集通過LBG模型獲得的，並根據所得的索引值構成向量Y，即59395939Y=l>e(Vc)=Oy(o;步驟五根據下式計算第z'幀的索引值與其相鄰兩幀的索引值的方差cr2(/)，即最後，根據CT^)由以下兩式得到極性矢量P:/7(0叫'。0，of/iern^e步驟六對極性矢量和即將嵌入的水印信號進行異或運算得到檢測密鑰K={&(/)，/-O廣.,5939}，即柳,，j)十p(,)/=(/-l)x90"、最後，將原始音頻載體和檢測密鑰，以及相應的時間戳註冊到認證中心以證明其對音頻作品的版權。如圖2所示，所述水印提取，過程具體為步驟一將待檢測的音頻信號A分割成長度相等5940幀，記為戊|/=0廣.,5939};步驟二對每一幀f;進行4級DWT,得到小波係數44，6,.4力,.3,^2，6/;步驟三對近似分量A,做DCT變換，即A,-ZXT(A。；步驟四對每個4^進行矢量量化(用與嵌入過程相同的碼本)，從而獲得59395939索引值向量、即*=0「0(入,)=0卯)；步驟五計算第/幀的索引值與其相鄰兩幀的索引值的方差d2(0,即(2(0-丄Jy(m)-[土2K/n)]2，並根據(2(！)由以下兩式得到極性矢量&:"0洲，洲=-''-00，。,Zienv/se步驟六對極性矢量&和檢測密鑰K進行異或運算得到估計水印W，即*(")"(/)》(/)/=(/—l)x90+/。實驗驗證首先，驗證本實施例方法的檢測可靠性，即嘗試從其它不含水印的音頻信號中檢測水印信號。利用嵌有水印的音頻信號的檢測密鑰和碼本去檢測其它沒有嵌過水印的音頻信號。除了原始音頻載體(如圖4(a)所示)，還對另外兩段音頻進行了測試(如圖4(b)、(c)所示)。對應的提取出的水印圖像如圖4(d)-(f)所示。很明顯，本實施例方法可以從匹配的音頻載體和檢測密鑰中提取出正確的水印，而從不匹配的音頻載體中提取的是亂碼。這充分證明了本實施例方法的檢測可靠性。為了驗證本實施例方法抵抗信道中可能遇到的正常的音頻信號處理操作的能力，對嵌入水印的音頻信號分別進行了如下操作①有損壓縮先對信號進行了速率為32Kbps的Mp3壓縮，再進行解壓縮;②低通濾波用截至頻率為22.05KHz的低通濾波器對載體信號進行濾波;③從新量化先將音頻信號從16比特量化為8比特，再量化為16比特；④疊加噪聲對音頻載體在時域中加入信噪比為40dB的高斯白噪聲；延時對載體信號在時域進行了500ms，10%的延時；(D疊加回聲在載體音頻的時域中疊加了延時為500亳秒，衰減為10%的回聲。⑦幅值增大對載體音頻的幅值進行了0.5dB的放大；⑧重新採樣將載體音頻的採樣率下降為22.05kHz，再還原為44.1kHz。表1給出了本實施例方法在各種操作下提取水印的能力(誤比特率BER以及數字音頻的信噪比)。表1數字水印對常規音頻信號處理的抵禦能力tableseeoriginaldocumentpage12如圖5所示，為在各種操作下提取的水印圖像，圖(a)為無信號處理、圖(b)為Mp3壓縮/解壓縮、圖(c)為低通濾波、圖(d)為重新採樣、圖(e)為疊加噪聲、圖(f)為延時、圖(g)為疊加回聲、圖(h)為幅度放大、圖(i)為重新採樣，其中圖(h)、(i)的圖像稍有雜質，其餘的圖像都很清晰。另外，還用測k音頻水印魯棒性的專用軟體Stirmarkforaudiov0.2(—種常用的專業音頻水印性能測試工具)對本實施例的方法和參考文獻提出的方法進行了攻擊，兩種方法對各種攻擊的魯棒性對比。圖6是對比文獻的方法在各種攻擊情況下的水印圖像，其中圖(a)為No-attack(無任何攻擊)、圖(b)為Addbr誦100(疊加"bru咖"噪聲)、圖(c)為Addnoise100(疊加噪聲)、圖(d)為Addsinus(疊加"sinus"噪聲)、圖(e)為Compressor(壓縮)、圖(f)為Dynnoise(去噪聲)、圖(g)為Exchange(替換)、圖(h)為Fft.real,reverse(基於傅立葉變換的實部交換)、圖(i)為Normalize(歸一化)、圖(j)為Rc-lowpass(RC—低通濾波)、圖(k)為Smooth(平滑處理)、圖(1)為Smooth2(平滑處理2)、圖(m)為Statl(統計攻擊1)、圖(n)為Stat2(統計攻擊2)、圖(o)為Zerocross(過零攻擊)。圖7是本實施例方法在各種攻擊情況下的水印圖像，圖(a)為No-attack、圖(b)為AddbrummlOO、圖(c)為Addnoise100、圖(d)為Addsinus、圖(e)為Compressor、圖(f)為Dynnoise、圖(g)為Exchange、圖(h)為12Fft,reaLreverse、圖(i)為Normalize、圖(j)為Rc-lowpass、圖(k)為Smooth、圖(1)為Smooth2、圖(m)為Statl、圖(n)為Stat2、圖(o)為Z6rocross0由圖6和圖7的對比可知，本實施例方法得到的水印圖像比對比文獻的方法得到的水印圖像更為清楚。本實施例的方法和參考文獻提出的方法進行了攻擊後的歸一化互相關係數、誤比特率、信噪比數值，如表2所示。表2.水印方法抗惡意攻擊的能力的比較tableseeoriginaldocumentpage13權利要求1、一種基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵在於，包括水印嵌入和水印提取兩部分，其中水印嵌入部分包括如下步驟第一步，將原始音頻信號進行分段處理；第二步，對每一段音頻進行離散小波變換以提取其小波近似分量；第三步，對第二步中獲得的小波近似分量進行離散餘弦變換以進行能量壓縮；第四步，對第三步中經過離散餘弦變換的小波近似分量進行矢量量化；第五步，根據矢量量化的索引值的統計特性構造極性矢量；第六步，通過對極性矢量和即將嵌入的原始水印信號進行異或運算將水印嵌入到檢測密鑰中去，並在認證中心申請檢測密鑰的時間戳；水印提取部分包括如下步驟首先，採用與水印嵌入部分中第一步到第五步相同的方法從待測音頻信號中獲得極性矢量；然後，對極性矢量和水印檢測密鑰進行異或運算獲得提取的水印信號。2、根據權利要求1所述的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵是，所述將原始音頻信號進行分段處理，具體為將原始音頻載體信號A分割成長度相等的MxiV幀，表示為化卞=0，一,似)<^-1}，每一幀含有"個採樣點，其中"=I^/(A/xiV)，a={fl(")|"=0，M，^-l}，a(")為第/i個採樣值，^為原始音頻載體包含的採樣個數。3、根據權利要求1所述的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵是，所述對對每一段音頻進行離散小波變換提取其小波近似分量，具'體為對每一幀音頻數據F;進行f/級小波變換，得到小波分量a,",d,"，d/^,…，d,1，其中八,"為第/幀巧小波變換的第//級小波近似分量，d,，d,-1，…，d/分別f;小波變換的第〃□1級細節分量。4、根據權利要求1所述的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵是，所述對小波近似分量進行離散餘弦變換，具體為選擇H級小波變換的近似分量A廣進行離散餘弦變換，即A,"e=ZXT(A,")。5、根據權利要求1所述的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵是，所述對第三步中經過離散餘弦變換的小波近似分量進行矢量量化，具體為對每一幀的DWT-DCT係數進行矢量量化VQ,並根據所得的索引值構成向量Y，即r—y(0l"0，…,A/W-ij，矢量量化所用的碼本是由每一幀的DWT-DCT係數構成的訓練集通過LBG模型獲得的，公式如下6、根據權利要求1所述的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵是，所述根據矢量量化的索引值的統計特性構造極性矢量，具體為首先，計算第'幀的索引值與其相鄰兩幀的索引值的方差CT2(0，公式如下formulaseeoriginaldocumentpage3然後，根據C^(/)由以下兩式得到極性矢量P:formulaseeoriginaldocumentpage37、根據權利要求1所述的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵是，所述對極性矢量和即將嵌入的水印信號進行異或運算將水印嵌入到檢測密鑰中，具體為即將嵌入的二值圖像水印信號為formulaseeoriginaldocumentpage3}，A/、AT分別為圖像的寬度和長度，H^,/)表示(/，/)點的水印信號象素值，進行異或運算具體為formulaseeoriginaldocumentpage3,其中p(/)為極性矢量的元素，*(/)是檢測密鑰的元素，則檢測密鑰為K={&(/)，/=0,:MxTV-1}。8、根據權利要求1所述的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，其特徵是，所述對極性矢量和水印檢測密鑰進行異或運算獲得提取的水印信號，具體為W，/)"(/)④》(/)/=(/-l)xJV+)，其中IV(")表示("')點的水印信號象素值，p(/)為極性矢量的元素，W)是檢測密鑰的元素。全文摘要一種信息安全
技術領域：
的音頻處理方法中的基於混合域係數矢量量化的音頻零水印嵌入和提取方法，水印嵌入部分將原始音頻信號進行分段處理，對每一段音頻進行離散小波變換以提取其小波近似分量，對獲得的小波近似分量進行離散餘弦變換以及矢量量化；根據矢量量化的索引值的統計特性構造極性矢量；通過對極性矢量和即將嵌入的原始水印信號進行異或運算將水印嵌入到檢測密鑰中去；水印提取部分首先，採用與水印嵌入部分相同的方法從待測音頻信號中獲得極性矢量；然後，對極性矢量和水印檢測密鑰進行異或運算獲得提取的水印信號。本發明對於各種正常的音頻信號處理操作和惡意攻擊表現出了較強的魯棒性，另外還省去了重構音頻載體信號的麻煩。文檔編號G11B20/00GK101290772SQ200810035218公開日2008年10月22日申請日期2008年3月27日優先權日2008年3月27日發明者傑朱,寧陳申請人:上海交通大學