CN104658542B - 基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法、检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法、检测方法及系统，主要包括：步骤1，时域音频信号的时频变换；步骤2，根计算频域音频信号可嵌入水印的范围；步骤3，生成随机的二进制扩频序列；步骤4，将二进制扩频序列和可嵌入水印的范围内的频域音频信号进行正交处理；步骤5，根据正交处理后的向量进行水印的加性嵌入；步骤6，带水印频域音频信号的时频逆变换。本发明将主音频信号和扩频信号进行正交，然后在扩频信号垂直分量上实现水印的加性嵌入，这样保证了相关提取时主信号对水印的干扰为零，从而可消除主信号干扰，大大降低水印提取错误率。
Description
技术领域
本发明涉及数字音频水印领域，尤其涉及一种基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法、检测方法及系统。
背景技术
数字音频水印是向音频信号中添加某些数字信息以达到文件真伪鉴别、版权保护、信息隐藏等目的的信号处理操作。正交是指内积为零的两个矢量信号间的关系，两个矢量信号正交即表示两矢量信号相互垂直。在传统的加性扩频音频水印的嵌入过程中，由于没有利用正交信号之间的相互垂直特性，其将扩频后的水印信号与主信号直接相加，若把此过程建模成通信模型，主信号可被看成水印信号传输过程中的干扰噪声，在采用相关检测时，主信号对水印的正确检测干扰很大，水印检测的错误率极高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法、检测方法及系统，该方法和系统使得主信号对水印检测的干扰趋于零，可大大降低水印检测的错误率。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一、一种基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法，包括步骤：
步骤1，将时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
步骤2，根据时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
步骤3，根据随机数种子生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列v1；
步骤4，对二进制扩频序列v1和可嵌入水印的范围内的频域音频信号v2进行正交处理，获得正交向量{v11,v22}，v11即二进制扩频序列v1，v22即v2与其在v11上的投影之差；
步骤5，根据二进制扩频序列v11，将水印数据嵌入频域音频信号v22，得到带水印的频域音频信号；
步骤6，将带水印的频域音频信号变换到时域，得到带水印的时域音频信号。
步骤4进一步包括子步骤：
4.1确定基底向量顺序{v1,v2(:,i)}，令v1为第一个正交基，即v11＝v1，其中，v1表示二进制扩频序列，v2(:,i)表示可嵌入水印的范围内的频域音频信号矩阵v2的第i列；
4.2基于正交原理，计算v2(:,i)在v11上的投影v2i11；
4.3获得一组新正交基{v11,v2i2}，其中，v2i2＝v2(:,i)-v2i11。
步骤5具体为：
根据正交向量{v11,v22}和水印数据symbol，利用如下公式，将水印数据symbol嵌入频域音频信号v22，得到带水印的频域音频信号watermarked_signal：
watermarked_signal＝v22+symbol*v11。
二、一种基于正交的加性扩频音频水印检测方法，包括步骤：
步骤7，将带水印的时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
步骤8，根据带水印的时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
步骤9，利用步骤3采用的随机数种子，生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列；
步骤10，根据二进制扩频序列，在频域音频信号可嵌入水印的范围内检测水印。
步骤10中采用相关统计检验检测水印序列。
三、一种基于正交的加性扩频音频水印嵌入系统，包括：
第一时频变换模块，用来将时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
第一嵌入范围选择模块，用来根据时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
第一扩频序列生成模块，用来根据随机数种子生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列；
正交处理模块，用来对二进制扩频序列v1和可嵌入水印的范围内的频域音频信号v2进行正交处理，获得正交向量{v11,v22}，v11即二进制扩频序列v1，v22即v2与其在v11上的投影之差；
加性嵌入模块，用来根据二进制扩频序列v11，将水印数据嵌入频域音频信号v22，得到带水印的频域音频信号；
时频逆变换模块，用来将带水印的频域音频信号变换到时域，得到带水印的时域音频信号。
四、一种基于正交的加性扩频音频水印检测系统，包括：
第二时频变换模块，用来将带水印的时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
第二嵌入范围选择模块，用来根据带水印的时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
第二扩频序列生成模块，用来根据第一扩频序列生成模块采用的随机数种子生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列；
水印检测模块，用来根据二进制扩频序列，在频域音频信号可嵌入水印的范围内检测水印。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明将主音频信号和扩频信号进行正交，然后在扩频信号垂直分量上实现水印的加性嵌入，这样保证了相关提取时主信号对水印的干扰为零，从而可消除主信号干扰，大大降低水印提取错误率。
附图说明
图1是音频水印嵌入子系统的结构框图；
图2是音频水印检测子系统的结构框图。
图3是本发明加性扩频音频水印嵌入方法的具体流程图；
图4是本发明加性扩频音频水印检测方法的具体流程图。
图中，1-第一时频变换模块，2-第一嵌入范围选择模块，3-第一扩频序列生成模块，4-正交处理模块，5-加性嵌入模块，6-时频逆变换模块，7-第二时频变换模块，8-第二嵌入范围选择模块，9-第二扩频序列生成模块，10-水印检测模块。
具体实施方式
下面以具体实施例结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明加性扩频音频水印系统包括音频水印嵌入系统和音频水印检测系统。参见图1，音频水印嵌入系统包括第一时频变换模块(1)、第一嵌入范围选择模块(2)、第一扩频序列生成模块(3)、正交处理模块(4)、加性嵌入模块(5)和时频逆变换模块(6)，具体实施时可以采用软件固化技术实现上述各模块功能。
第一时频变换模块(1)，用于将时域音频信号变换为频域音频信号，并将频域音频信号输出至第一嵌入范围选择模块(2)。
第一嵌入范围选择模块(2)，用于根据时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的频率范围计算频域音频信号可嵌入水印的范围，并将可嵌入水印的范围内的频域音频信号输出至正交处理模块(4)，将可嵌入水印的范围的最值输出至扩频序列生成模块(3)，所述的最值即最大值和最小值。
第一扩频序列生成模块(3)，用于根据随机数种子和可嵌入水印的范围的最值生成与可嵌入范围同长度的幅值为1或-1均匀分布的随机序列，即扩频序列，将扩频序列输出给正交处理模块(4)。
正交处理模块(4)，用于根据正交化原理，对扩频序列和可嵌入水印的范围内的频域音频信号进行正交化处理，得到一组正交向量，将正交向量输出至加性嵌入模块(5)。
加性嵌入模块(5)，用于基于加性扩频水印嵌入公式，根据正交向量获得频域的带水印信息的音频信号，并将此频域的带水印信息的音频信号输出至时频逆变换模块(6)。
时频逆变换模块(6)，用于将频域的带水印信息的音频信号转换为时域的带水印信息的音频信号，并生成音频文件，即得到带水印信息的音频文件。
参见图2，音频水印检测系统包括第二时频变换模块(7)、第二嵌入范围选择模块(8)、第二扩频序列生成模块(9)和水印检测模块(10)，具体实施时可以采用软件固化技术实现上述各模块功能。
第二时频变换模块(7)与第一时频变换模块(1)功能相同，用于将带水印的时域音频信号转换为频域音频信号，并将频域音频信号输出至第二嵌入范围选择模块(8)。
第二嵌入范围选择模块(8)与第一嵌入范围选择模块(2)功能相同，以获得频域音频信号可嵌入水印的范围，并将可嵌入水印的范围的最值输出至第二扩频序列生成模块(9)，将可嵌入水印的范围内的频域音频信号输出至水印检测模块(10)。
第二扩频序列生成模块(9)与第一扩频序列生成模块(3)功能相同，将产生的扩频序列输出至水印检测模块(10)。
水印检测模块(10)，用于根据第二嵌入范围选择模块(8)输出的频域音频信号和第二扩频序列生成模块(9)输出的扩频序列，计算相关值，根据相关值符号，获得水印序列。本发明利用两个正交的向量做相关检测时值为0的思想，在水印检测端，消除了主信号对水印的影响，使得提取出的水印的错误率为0。
参见图3，本发明实施例提供的基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法，可以采用计算机软件技术手段自动进行流程，具体包括以下步骤：
步骤1，时域音频信号变换为频域音频信号。
读取音频文件，得到时域音频信号的幅值数据audio_signal和采样率fs，对时域音频信号audio_signal先分帧再做时频变换，帧长用N_frame表示，时频变换可采用快速傅里叶变换法FFT、离散余弦变换法DCT或复数调制重叠变换法MCLT等，得到频域音频信号的幅值数据Audio_Signal，后文提到的时域音频信号和频域音频信号均指时域音频信号和频域音频信号的幅值数据。
步骤2，获得频域音频信号可嵌入水印的范围。
根据时域音频信号的采样率fs，帧长度N_frame以及人耳敏感的声音频率范围计算频域音频信号Audio_Signal可嵌入水印的范围，得到此范围的最大值freqmax和最小值freqmin，并选取此范围内的频域音频信号v2。
freqmin＝fix((FWMIN*2.0/fs)*N_frame) (1)
freqmax＝fix((FWMAX*2.0/fs)*N_frame) (2)
式(1)～(2)中，FWMIN、FWMAX分别表示人耳敏感的最低声音频率和最高声音频率；N_frame表示时域音频信号的帧长度，fs表示时域音频信号的采样率；fix(·)是MATLAB里面的取整函数。
v2为矩阵信号，其行数为(freqmax-freqmin+1)，列数为二进制水印信号的个数N_bit。
步骤3，生成二进制扩频序列。
本步骤可利用MATLAB里面的随机数生成函数生成二进制扩频序列v1，例如，函数rand、randn、randint等。
本步骤的一种具体实施方式如下：
二进制扩频序列v1根据随机数种子和可嵌入水印的范围随机生成。首先，调用RandStream函数初始化rand函数；然后，调用rand函数生成0～1间的(freqmax-freqmin+1)个随机数；最后，将随机数四舍五入为0或1，即，将不小于0.5的随机数赋为1，小于0.5的随机数赋为0，从而获得二进制扩频序列v1。
步骤4，正交处理。
根据正交原理，计算二进制扩频序列v1和可嵌入水印的范围内的频域音频信号v2(:,i)的正交向量v11和v2i2，v2(:,i)表示频域音频信号矩阵v2的第i列。该处正交处理可以采用标准正交或格拉姆-施密特正交，不管采用何种正交处理，其基本思想均是利用投影原理在已有正交基上构造新的正交基。
下面将以标准正交为例来介绍本步骤的一种具体实施方式，但并不限于标准正交。
首先，确定基底向量顺序{v1,v2(:,i)}，令v1为第一个正交基，即v11＝v1。
然后，计算v2(:,i)在v11上的投影v2i11：
式(3)～(4)中，<·>表示内积；N＝freqmax-freqmin+1，表示为v2(:,i)、v11的长度。
由投影原理可知，v2(:,i)与其在v11上的投影projv11v2i之差v2i2是正交于v11的，因此得到一组正交基{v11,v2i2}。
v2i2＝v2(:,i)-v2i11 (5)
步骤5，加性水印嵌入。
根据正交向量{v11,v2i2}和水印数据symboli，利用公式(6)将水印数据嵌入频域音频信号，得到带水印的频域音频信号watermarked_signali：
watermarked_signali＝v2i2+symboli*v11 (6)
式(6)中，symboli表示第i个水印数据；watermarked_signali表示嵌入了第i个水印数据的频域音频信号。
步骤6，带水印的频域音频信号变换为时域音频信号。
将带水印的频域音频信号watermarked_signali变换到时域，生成音频文件，得到带水印的音频文件。
参见图4，本发明实施例提供的基于正交的加性扩频音频水印检测方法，可以采用计算机软件技术手段自动进行流程，具体包括以下步骤：
步骤7，带水印的时域音频信号变换为频域音频信号。
本步骤同步骤1，只是进行时频变换的对象为带水印的时域音频信号。
读取带水印的音频文件，得到带水印的时域音频信号的幅值数据received_signal和采样率fs，对时域音频信号received_signal先分帧再做时频变换，帧长用N_frame表示，时频变换可采用快速傅里叶变换FFT、离散余弦变换DCT或复数调制重叠变换MCLT等，得到频域音频信号的幅值数据Received_Signal。
步骤8，获得频域音频信号可嵌入水印的范围。
本步骤同步骤2，只是针对的频域音频信号为步骤7获得的带水印的频域音频信号。
根据采样率fs、帧长度N_frame以及人耳敏感的频率范围计算频域音频信号Received_Signal可嵌入水印的范围，得到此范围的最大值freqmax和最小值为freqmin，并选取此范围内的频域音频信号v3。v3为矩阵信号，其行数是(freqmax-freqmin+1)，列数为二进制水印信号个数N_bit。
步骤9，生成扩频序列。
本步骤同步骤3，利用MATLAB里面的随机数函数生成和步骤2中相同的二进制扩频序列v1。
步骤10，水印检测。
根据相关统计检验公式(7)，检测水印序列。
式(7)中，v3(:,i)表示频域音频信号矩阵v3的第i列，i＝1,2,...N_bit，N_bit为二进制水印信号个数。
如果ri≥0，则received_biti＝1，即检测出的二进制水印为1；否则为received_biti＝0。received_biti构成二进制水印序列，i＝1,2,...N_bit。
Claims (6)
1.基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，将时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
步骤2，根据时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
步骤3，根据随机数种子生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列v1；
步骤4，对二进制扩频序列v1和可嵌入水印的范围内的频域音频信号v2进行正交处理，获得正交向量{v11,v22}，v11即二进制扩频序列v1，v22即v2与其在v11上的投影之差；
步骤5，根据二进制扩频序列v11，将水印数据嵌入频域音频信号v22，得到带水印的频域音频信号；
步骤6，将带水印的频域音频信号变换到时域，得到带水印的时域音频信号；
所述时域音频信号指时域音频信号的幅值数据，所述频域音频信号指频域音频信号的幅值数据。
2.如权利要求1所述的基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法，其特征在于：
步骤4进一步包括子步骤：
4.1确定基底向量顺序{v1,v2(:,i)}，令v1为第一个正交基，即v11＝v1，其中，v1表示二进制扩频序列，v2(:,i)表示可嵌入水印的范围内的频域音频信号矩阵v2的第i列；
4.2基于正交原理，计算v2(:,i)在v11上的投影v2i11；
4.3获得一组新正交基{v11,v2i2}，其中，v2i2＝v2(:,i)-v2i11。
3.如权利要求1所述的基于正交的加性扩频音频水印嵌入方法，其特征在于：
步骤5具体为：
根据正交向量{v11,v22}和水印数据symbol，利用如下公式，将水印数据symbol嵌入频域音频信号v22，得到带水印的频域音频信号watermarked_signal：
watermarked_signal＝v22+symbol*v11。
4.基于正交的加性扩频音频水印检测方法，其特征在于，包括步骤：
步骤7，将带水印的时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
步骤8，根据带水印的时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
步骤9，利用步骤3采用的随机数种子，生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列；
步骤10，根据二进制扩频序列，在频域音频信号可嵌入水印的范围内检测水印；
所述时域音频信号指时域音频信号的幅值数据，所述频域音频信号指频域音频信号的幅值数据。
5.基于正交的加性扩频音频水印嵌入系统，其特征在于，包括：
第一时频变换模块，用来将时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
第一嵌入范围选择模块，用来根据时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
第一扩频序列生成模块，用来根据随机数种子生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列；
正交处理模块，用来对二进制扩频序列v1和可嵌入水印的范围内的频域音频信号v2进行正交处理，获得正交向量{v11,v22}，v11即二进制扩频序列v1，v22即v2与其在v11上的投影之差；
加性嵌入模块，用来根据二进制扩频序列v11，将水印数据嵌入频域音频信号v22，得到带水印的频域音频信号；
时频逆变换模块，用来将带水印的频域音频信号变换到时域，得到带水印的时域音频信号；
所述时域音频信号指时域音频信号的幅值数据，所述频域音频信号指频域音频信号的幅值数据。
6.基于正交的加性扩频音频水印检测系统，其特征在于，包括：
第二时频变换模块，用来将带水印的时域音频信号分帧，然后变换到频域，得到频域音频信号；
第二嵌入范围选择模块，用来根据带水印的时域音频信号的采样率、帧长度以及人耳敏感的声音频率范围，获得频域音频信号可嵌入水印的范围，该范围的最大值和最小值分别为freqmax、freqmin；
第二扩频序列生成模块，用来根据第一扩频序列生成模块采用的随机数种子生成(freqmax-freqmin+1)个0～1间的随机数，将随机数四舍五入为0或1，即二进制扩频序列；
水印检测模块，用来根据二进制扩频序列，在频域音频信号可嵌入水印的范围内检测水印；
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