CN102148034A

CN102148034A - 基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法

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Publication number: CN102148034A
Application number: CN201110085334XA
Authority: CN
Inventors: 黄智渊; 张玲华; 张磊
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2011-08-10

Abstract

本发明公开了一种基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法，属于信息安全技术领域。本发明方法包括将水印嵌入音频载体信号的步骤以及利用倒谱法提取水印的步骤，所述水印采用汉明码的编码方法。本发明将汉明码的编码方法引入数字水印的嵌入和提取，并结合现有前后向回声核的回声隐藏方法，从嵌入水印的编码角度出发来解决现有技术隐藏信息恢复率较低的问题。相比现有技术，本发明方法具有信息恢复率高、抵御攻击能力强、鲁棒性好的优点。

Description

基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法

技术领域

本发明涉及一种水印嵌入和提取方法，尤其涉及一种基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法，属于信息安全技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对信息安全的需求越来越急迫。在信息安全中，最重要的一点是防止攻击者的攻击。一些主动攻击者发现保密信息后会立即发动攻击。一般情况下，为了防止攻击者的攻击，通常采用信息隐藏的办法。所谓信息隐藏就是把保密的信息隐藏在非保密的媒体数据中（如声音，图像等），从而使得主动攻击者发现不了信息的隐藏，与此同时，要保证信息隐藏技术与加密技术并不相互排斥，这些被隐藏的信息称之为数字水印。从另一个方面来说，攻击者即使发现了隐蔽信息也需要经过检测和解密两个步骤才能得到隐藏信息。要提高一个语音系统的安全性，应该注意以下几个方面。第一.语音载体应该尽量保持嵌入保密信息前后听不出差别。这样的话，攻击者就无法确定是否有隐藏信息。第二.即使被窃听者发现有隐藏信息，也不能轻易得让他提取出隐藏信息。第三.对保密信息的加密方法不能被轻易破解。

要研究避免攻击者进行攻击，首先要了解人耳听觉掩蔽特性。人耳的听觉掩蔽特性分为频率掩蔽特性和时间掩蔽特性。时间掩蔽特性是指一个信号可以被之前和之后发出的信号掩蔽。当时间差和频率差都很小时，暂时掩蔽和同时掩蔽分别增加。基于回声的信息隐藏系统就是基于人耳掩蔽特性来隐藏信息的。回声隐藏利用了人耳的听觉掩蔽效应，是一种有效的音频信息隐藏方法。其目的是以添加回声的方式在原有音频信息中嵌入新信息，实现信息隐藏。回声核的数学模型表示如公式(1)：

Figure 201110085334X100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

嵌入回声的声音可表示为和的卷积，和分别为原始声音信号和回声核的单位脉冲响应。回声信号由引入到原始声音当中，其中，

为延迟时间，为衰减系数。嵌入回声后的声音信号表示如下：

(2)

回声隐藏的具体方法是：对一段声音信号数据，先将其分成若干包含相同样点数的片段，每个片段时间约为几个到几十个ms，样点数记为N。每段用来嵌入1比特隐藏信息。在信息嵌入过程中，对每段信号使用式(3.2)，选择，则在信号中嵌入隐藏信息比特“0”；选择,则在信号中嵌入隐藏信息比特“1”。延时

Figure 201110085334X100002DEST_PATH_IMAGE011

和

是根据人耳听觉掩蔽效应为准则进行选取的。最后，将所有含有隐藏信息的声音信号段串联成连续信号。

嵌入信息的提取实际上就是确定回声延时。由于每段隐写声音信号都是一个卷积性组合信号，直接从时域或频域确定回声延时存在一定困难，可采用卷积同态滤波系统来处理，将这个卷积性组合信号变为加性组合信号。Bender等人用倒谱分析的方法来确定回声延时。

对于声音信号,其倒谱描述如下

(3)

其中，和

分别表示傅立叶变换和傅立叶反变换。于是，式（3）可以表示为如下形式：

(4)

公式（4）为分别计算和的倒谱，然后求和，即

(5)

对求倒谱：

Figure 201110085334X100002DEST_PATH_IMAGE021

(6)

其中，

。

由于

，又因衰减系数，则：

(7)

所以，

(8)

因此，当回声核如式（8）时，嵌入回声后声音信号的倒谱表示如下：

(9)

式（9）中，仅在

的整数倍处出现非零值，那么在信号的倒谱域中，回声延迟处也会出现峰值，据此可确定嵌入回声的延迟大小，从而进一步确定隐藏信息是“0”或是“1”。

与其他音频信息隐藏方法(例如：LSB法，相位编码法，扩频调制法)相比，回声隐藏具有许多优点：①隐藏算法简单；②算法不产生噪声，隐藏效果好；③有时由于回声的引入，形成立体声效果，使声音听起来更加浑厚；④提取隐藏信息时不需要原始音频数据，能够实现隐藏信息的盲检测。但该方法的弱点也很明显，嵌入容量较小（一般秘密信息嵌入量为2b/s～64b/s,其大小与传输环境和参数设计有关）,提取率不是很让人满意，而且信道噪声、人为篡改都会降低提取准确率。

不可感知性是包括回声隐藏在内的所有基于音频的信息隐藏理应具备的一个重要特性。在回声隐藏实现过程中，所引入回声的幅度直接决定了隐藏信息的不可感知性。

Xu等人[Xu. Proakis, Digital Communications. New York: McGraw-Hill,2001.]在原始算法的基础上提出一种基于多回声核的回声隐藏方法。即用多回声核来引入多个小幅度回声来提高隐藏信息的不可感知性。但是，面对第三方的恶意攻击，该方法隐藏信息的恢复率并不理想，算法并不具备较强的鲁棒性。

Oh在文献[Oh H2O, HyunWook Kim, JongWon Seok. Transparent and Robust Audio Watermarking with a New Echo Embedding Technique [ C ].ICME, 2001. 3172320.]中提出了一种基于双极性回声核的回声隐藏方法。该方法把人耳可感知的回声分为两部分echo和coloration。前者由于引入的回声延迟时间过大，影响听觉质量；后者听觉上可理解为对原始声音的赋色。Oh研究了在赋色域嵌入不同极性和个数的回声信号对原始声音所产生的影响。不同极性是针对式中

的符号而言的。若

为正数则称回声为正极性；若

为负数则称回声为负极性。不同极性和个数的回声信号的频率响应是不同的。在音频信号中嵌入两个极性相反、不同延时的回声，能够增强回声的不可感知性。Huang^[13]发展了Oh的方法，提出了一种基于心理声学模型(Psychoacoustic model MPEG-1)分析的回声隐藏方法，进一步提高了算法的鲁棒性和回声的不可感知度。但是这类方法仍然存在缺陷：隐藏信息的恢复率较低，特别是引入回声幅度较小的时候。

Kim提出了一种基于前后向回声核的回声隐藏方法[Hyoung Joong Kim, Yong Hee Choi. A Novel Echo2Hiding Scheme with Backward and Forward Kernels [ J ]. Circuits and Systems for Video Technology, 2003, 13 (8) : 8852889.]。在该方法中提出了一种新的回声“核”，该回声核由两个延时时间相同，但是方向相反的回声引入因子构成，称为前后向回声核。可表示为

(10)

其中称后向回声引入因子，称前向回声引入因子。Kim的研究结果表明，利用倒谱分析检测隐藏信息时，对应回声位置的峰值大小受三个因素的影响：①起最大决定作用的是回声核的倒谱响应；②原始声音信号的倒谱响应同样影响峰值大小；③延迟时间的方向对峰值大小的影响也不容忽视。针对相同的原始声音信号，采用前后向回声核的隐藏算法在保证良好不可感知性的前提下能够获得较低的隐藏信息检测的误码率。

从上述回声隐藏的研究进展情况可以看出，现有回声隐藏方法的改进均集中在对“核”的改造上，且误码率较高，隐藏信息的恢复率不理想。

发明内容

本发明所有解决的技术问题是克服现有回声隐藏方法误码率较高的缺陷，从嵌入水印的编码角度出发，提供一种能够自动对传输错误的码元进行检测和恢复的基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法，从而提高隐藏信息的恢复率。

本发明通过将汉明码的编码方法引入回声隐藏的水印编码中来解决上述技术问题，具体而言，本发明采用以下技术方案：

一种基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法，包括将水印嵌入音频载体信号的步骤以

及利用倒谱法提取水印的步骤，其特征在于，所述水印采用汉明码的编码方法。

汉明码是一种在原有数据中插入若干校验码来进行错误检查和纠正的编码技术。与其他的错误校验码类似，汉明码也利用了奇偶校验位的概念，通过在数据位后面增加一些比特，可以验证数据的有效性。利用一个以上的校验位，汉明码不仅可以验证数据是否有效，还能在数据出错的情况下指明错误位置。

在接受端通过纠错译码自动纠正传输中的差错来实现码纠错功能，称为前向纠错FEC。在数据链路中存在大量噪音时，FEC可以增加数据吞吐量。通过在传输码列中加入冗余位(也称纠错位或监督位)可以实现前向纠错。但这种方法比简单重传协议的成本要高。汉明码利用奇偶块机制降低了前向纠错的成本。

进行奇偶校验的方法是先计算数据中1的个数，通过增加一个0或1(称为校验位)，使1的个数变为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。例如，数据1001总共是4个比特位，包括2个1，1的数目是偶数，因此，如果是偶校验，那么增加的校验位就是一个0，反之，增加一个1作为校验位。通过“异或”运算来实现偶校验，“同或”运算来实现奇校验。单个比特位的错误可以通过计算1的数目是否正确来检测出来，如果1的数目错误，说明有一个比特位出错，这表示数据在传输过程中受到噪音影响而出错。利用更多的校验位，汉明码可以检测两位码错，每一位的检错都通过数据中不同的位组合来计算出来。校验位的数目与传输数据的总位数有关，可以通过汉明规则进行计算：

d+p+1<=2的p次方

d表示传输数据位数目，p表示校验位数目。两部分合称汉明码字，通过将数据位与一个生成矩阵相乘，可以生成汉明码字。

本发明通过对回声隐藏中的水印按照汉明码方法编码，在水印提取时，能够自动对传输错误的码元进行检测和恢复。相比现有技术，降低了误码率，提高了隐藏信息的恢复率。

附图说明

图1为本发明方法水印嵌入的流程图；

图2为本发明方法水印提取的流程图；

图3为具体实施方式中所述校正子与码元错误状态的对应关系；

图4为信元数变化时传统前后向回声核方法和本发明方法的恢复率比较；

图5为衰减率变化时传统前后向回声核方法和本发明方法的恢复率比较；

图6为延时点数变化时传统前后向回声核方法和本发明方法的恢复率比较

图7为对本发明方法进行鲁棒性测试所得结果；

图8为在各种攻击下原水印和提取水印的归一化相关系数；

图9为各种攻击下原水印和提取水印的SNR和PSNR值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

及利用倒谱法提取水印的步骤，其中，所述将水印嵌入音频载体信号的步骤，如附图1所示，包括：

步骤101、将水印信息以每4位为一组进行分组，作为信息位；每组另加3位监督位，与信息位一起构成要传送的7位码元；对每一组码元，预先设置一个3位二进制变量作为该组码元的校正子，该校正子的8个可取值分别与所述7位码元的错误状态一一对应，其中校正子取值为0时表示7位码元无错误，其他7个可取值分别对应7位码元其中一位出错的情况；

设监督位为a0,a1,a2,信息位为a3,a4,a5,a6，校正子的三位分别为S1、S2、S3可预先设定校正子与码元错误状态的对应关系如附图3所示，当然，也可选择其它的对应关系。

步骤102、根据校正子与码元错误状态的对应关系得到监督关系式；按照监督关系式计算校正子取值为0时各信息位的值并按照计算结果赋予信息位相应的值，完成水印编码；

根据附图3的对应关系可很容易得到监督关系式如下：

S1=a6⊕a5⊕a4⊕a2 (11)

S2= a6⊕a5⊕a3⊕a1 (12)

S3= a6⊕a4⊕a3⊕a0 (13)

在嵌入前编码时，校正子取值为0，即S1、S2、S3的值均为0，此时有：

a6⊕a5⊕a4⊕a2=0 (14)

a6⊕a5⊕a3⊕a1=0 (15)

a6⊕a4⊕a3⊕a0=0 (16)

上式可以写为：

a2=a6⊕a5⊕a4 (17)

a1=a6⊕a5⊕a3 (18)

a0=a6⊕a4⊕a3 (19)

根据公式（17）—（19）计算并赋予相应的监督位a0、a1、a2相应的值，即完成水印编码，此时水印编码为7位一组的码元（3位监督位+4位信息位）。上述监督关系式随校正子与码元错误状态的对应关系不同而不同。

步骤103、利用回声隐藏方法将编码后的水印嵌入音频载体信号；

本发明可采用现有的各种回声隐藏方法，例如基于多回声核的回声隐藏方法、基于双极性回声核的回声隐藏方法、基于前后向回声核的回声隐藏方法等。本发明优选采用基于前后向回声核的回声隐藏方法。

所述利用倒谱法提取水印的步骤如附图2所示，包括：

步骤201、利用倒谱法提取音频载体信号中嵌入的数据；

本步骤中所述倒谱法为现有技术，具体内容可参见文献[W. Bender, D. Gruhl, N. Morimoto, and A. Lu, “Techniques for data hiding,” IBM Syst. J., vol. 35, no. 3&4, pp. 313–336, 1996.]。

步骤202、对提取出的每一组7位码元按照监督关系式计算校正子；

按照监督关系式（11）—（13），即可得到校正子。

步骤203、根据校正子取值与码元错误状态的对应关系确定码元中传输错误的一位，并对其进行修改；

根据校正子的值，通过附图3所示校正子取值与码元错误状态的对应关系即可确定码元中是否存在传输错误以及哪一位出错，例如：当校正子的值为0时，即S1、S2、S3均为0，则说明该7位码元中无错误；当S1、S2、S3的值分别为1、0、1时，则说明信息位a4出错，此时，则修改a4，如a4的值为0时，则将其改为1；如a4的值为1，则将其修改为0。

步骤204、将每一组码元中的监督位去除后合并，得到水印。

上述具体实施方式仅以4位一组编码为例，实际上根据汉明码的原理，完全可以选择其它编码方式。

本发明方法适用于每组码元中存在一位错误的情况，倘若每组出现两个或两个以上码元传输错误的情况，纠错机制可能反而会使误码率提高。假定在监督位纠正误码之前误码率为a，信息位为a6，a5，a4，a3，监督位为a2,a1,a0，下面分别就各种情况进行讨论。

情况一：当传输的一组码元出现的误码有且仅有一位时。当错误位为信息位时（即a6,a5,a4,a3），纠错机制将会把一位误码纠正成正确的,且机会为4a。这样的话，就是有4a的概率能把一位错误的码元纠正成正确的。当错误位为监督位时（即a2,a1,a0），纠错机制将会把一位错码纠正成正确的,且概率为3a。但是纠正监督位对降低整体误码率是无帮助的。所以，错一位时，能够把错误的码元改成正确的概率为4a。

情况二：当传输的一组码元出现的误码有且仅有两位时，此时纠错机制是做负功的。有12

的概率纠使得错机制使得误码率提高。

情况三：当传输的码元出现的误码有且仅有三位时，此时纠错机制是做负功的。有16

的概率使得纠错机制使得误码率提高。

情况四：当传输的码元出现的误码有且仅有四位时，此时纠错机制是做正功的。有17

的概率使得纠错机制使得误码率降低。

当一组码元中出现的错误位数为五位或五位以上时，概率极小不做考虑。

根据以上的论述，只要4a+17

＞12+16

时，纠错机制就能降低误码率。解得a<26.576%时，纠错机制就能够降低系统的误码率。换句话说，只要原系统中传输的正确率超过73.424%，则本发明方法就能提高恢复率。

为了验证本发明方法的效果，分别进行以下实验：

一、性能对比：

以一段音频s0作为载体，分别使用本发明方法和传统前后向回声核方法嵌入并提

取同一水印，然后比较两种方法的恢复率。

以s0作为载体音频，取衰减系数取0.5，采用延时145点表示‘1‘，延时155点表示‘0‘，不断改变信元数即得到附图4所示恢复率对比结果（图中实线表示传统前后向回声核方法，虚线表示本发明方法），从图中可以看出，当所传的信元数约少于100时，传统前后向回声核方法的恢复率低于本发明方法的恢复率，当所传的信元数在100~1100时，传统前后向回声核方法的恢复率低于本发明方法的恢复率。当所传的信元数高于1100时，本发明方法的恢复率由于实际所需传输的点数较多的原因急剧下降。在图中可以看出，虽然本发明方法在所需传输的码元数很高或很低时恢复率较低，但是在传输特定数量的码元时，它能够达到传统后前后向回声核方法所不能达到的高恢复率。对于恢复率要求较高而传码率要求不高的场合，本发明方法比较适用。

以s0作为载体音频，传输的信元数取为700，采用延时145点表示‘1‘，延时155点表示‘0，不断改变衰减系数，得到附图5所示恢复率对比结果（图中实线表示传统前后向回声核方法，虚线表示本发明方法），从图中可以看出，在需要高恢复率的场合，本发明方法比传统前后向回声核方法更适合。

以s0作为载体音频，所传的信元数为700，设采用延时n点表示‘1‘，延时n+10点表示‘0‘，不断改变n的大小，即得到附图6所示恢复率对比结果（图中实线表示传统前后向回声核方法，虚线表示本发明方法），从图中可以看到，本发明方法的恢复率性能好于传统前后向回声核方法，能够达到传统前后向回声核方法不能达到的高恢复率。

二、鲁棒性测试：

采用180s，采样频率为22.05KHZ的wave格式歌曲作为载体，检测本发明方法及传统前后向回声核方法在经受各种攻击时的传输信息受损情况。所受攻击分别为白噪声、重采样和滤波攻击。如附图7所示，其中，A为原始水印，B1为原始水印通过传统前后向回声核方法并且不受攻击情况下在接收端得到的水印，B2为原始水印通过本发明方法并且在不受攻击情况下得到的水印，C1为原始水印通过传统前后向回声核方法并经高斯白噪声攻击在接收端所得到的水印，C2为原始水印通过本发明方法并经高斯白噪声攻击在接收端所得到的水印，D1为原始水印通过传统前后向回声核方法并经重采样攻击在接收端所得到的水印，D2为原始水印通过本发明方法并经重采样攻击在接收端所得到的水印，E1为原始水印通过传统前后向回声核方法并经重滤波攻击在接收端所得到的水印，E2为原始水印通过本发明方法并经重滤波攻击在接收端所得到的水印。图8为在各种攻击下两种方法分别获得的原水印和提取水印的归一化相关系数（NC值），对提取水印和原始水印的相似度进行定量的评价，NC值越大，说明提取水印与原始水印越相似，传输过程的信息损失越小。图9为在各种攻击下两种方法所分别得到的SNR（信噪比）和PSNR（峰值信噪比），用来评价两种方法的鲁棒性。从图7—9可以看出，本发明方法相比传统前后向回声核方法，可以更好的抵御各种攻击，降低信息在传输过程中的损失，具有较好的鲁棒性。

Claims

1. 一种基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法，包括将水印嵌入音频载体信号的步骤以及利用倒谱法提取水印的步骤，其特征在于，所述水印采用汉明码的编码方法。

2.如权利要求1所述基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述将水印嵌入音频载体信号的步骤包括：

所述利用倒谱法提取水印的步骤包括：

步骤201、利用倒谱法提取音频载体信号中嵌入的数据；

步骤204、将每一组码元中的监督位去除后合并，得到水印。

3.如权利要求1或2所述基于回声隐藏的水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述将水印嵌入音频载体信号的步骤中采用前后向回声核的回声隐藏方法。