CN102385862A - 一种面向空气信道传播的音频数字水印方法 - Google Patents

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常迪
郭伟
黄倩
杨玉红
涂卫平
王晓晨
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Abstract

本发明涉及数字水印技术领域，提出一种面向空气信道传播的音频数字水印方法。该方法循环嵌入水印信息和同步信号。本发明不仅能够有效抵抗AD/DA变换以及空气背景噪声干扰，还能抵抗空气信道传播时受播放距离、播放角度、播放音量等其他因素的干扰，并且能够抵抗常见信号处理攻击、重采样攻击、MP3压缩攻击，以及基于StriMarkBenchmarkforAudio的攻击，误码率较低，具有较好的稳健性和鲁棒性，能够适用于空气信道传播的实际场景，为机密网络会议的泄密追踪提供新的技术保障。

Description

一种面向空气信道传播的音频数字水印方法
技术领域
本发明涉及数字水印技术领域，尤其是涉及一种面向空气信道传播的音频数字水印方法。
背景技术
随着新世纪信息技术的迅猛发展，网络会议系统已经得到广泛应用。据2010年调查数据显示，2010年国内网络会议市场规模约为60亿元人民币，2011年已增长到90亿元人民币。在网络会议市场规模日益增大的同时，由于会议中机密信息的泄露，给国家、社会经济造成高额损失。据国家知识产权局不完全统计，2010年我国网络会议由于机密会议信息泄露，造成约5.3亿人民币损失。因此，机密会议内容的隐私保护受到国家相关机构的高度重视。
由于网络会议系统的音频内容包含了最多、最重要的机密会议信息，因此，会议音频信息成为了攻击者的主要窃取对象。在多人、多地点的同时进行多会场网络会议的情况下，当会议的音频信号被偷录，如何追踪确定泄密会场并追究其责任以及进一步确认泄密者以遏制泄密成为了一个亟待解决的难题。
针对上述问题，提出一种面向空气信道传播的音频数字水印方法，以实现机密网络会议的泄密追踪问题，是急需解决的重大难题。
发明内容
本发明提出了一种面向空气信道传播的音频数字水印方法，其目的在于提高音频数字水印在空气信道传播中的鲁棒性，使其有效抵抗A/D（模拟到数字）、D/A（数字到模拟）变换攻击、空气噪声干扰等攻击，为机密网络会议的泄密追踪提供新的技术保障。
本发明的技术方案为一种面向空气信道传播的音频数字水印方法，采用面向空气信道传播的音频数字水印嵌入方法，将同步信号与水印信息嵌入到原始的音频信号中；将已嵌入同步信号与水印信息的音频信号通过扬声播放，经过空气信道传播后录音，得到录制的音频信号；采用面向空气信道传播的音频数字水印提取方法，提取录制的音频信号中的水印信息；
所述面向空气信道传播的音频数字水印嵌入方法，包括以下步骤，
步骤1.1，将原始的音频信号分成若干时间段，每一个时间段中包含了同步信号嵌入部分与水印信息嵌入部分；
步骤1.2，将同步信号分别嵌入到步骤1.1所得各时间段中的同步信号嵌入部分；
步骤1.3，将待嵌入的隐藏信息分别嵌入到步骤1.1所得各时间段中的水印信息嵌入部分，所述待嵌入的隐藏信息为原始水印信息或经过纠错编码的水印信息；
所述面向空气信道传播的音频数字水印提取方法，包括以下步骤，
步骤2.1，定位录制音频信号中的同步信号；
步骤2.2，提取录制音频信号中的隐藏信息，获得水印信息。
而且，若步骤1.3所述待嵌入的隐藏信息为原始水印信息，步骤2.2提出的隐藏信息即为水印信息；若步骤1.3所述待嵌入的隐藏信息为经过纠错编码的水印信息，步骤2.2提取出隐藏信息后进行纠错译码，从而获得水印信息。
该方法循环嵌入水印信息和同步信号。本发明不仅能够有效抵抗AD/DA变换以及空气背景噪声干扰，还能抵抗空气信道传播时受播放距离、播放角度、播放音量等其他因素的干扰，并且能够抵抗常见信号处理攻击、重采样攻击、MP3压缩攻击，以及基于StriMark Benchmark for Audio的攻击，误码率较低，具有较好的稳健性和鲁棒性，能够适用于空气信道传播的实际场景。
附图说明
图1是本发明的数字水印嵌入流程图。
图2是本发明的传播过程示意图。
图3是本发明的数字水印提取流程图。
图4是本发明的隐藏信息结构示意图。
图5是本发明的实施例流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
本发明实施例提供的面向空气信道传播的音频数字水印方法包括以下几部分，流程图参见图5：
（1）如图1所示，采用面向空气信道传播的音频数字水印嵌入方法，将同步信号与水印信息嵌入到原始的音频信号中。
实施例中面向空气信道传播的音频数字水印嵌入方法，包括以下步骤：
步骤1.1，将原始音频信号分成若干时间段，每一个时间段中包含了同步信号嵌入部分与水印信息嵌入部分。
如图4所示，将原始音频信号在时域上，分成若干时间段，每个时间段共有266240个采样点。实施例将每一个时间段的前3072个采样点作为同步信号嵌入部分，后面的其余部分作为水印信息嵌入部分。
步骤1.2，将同步信号分别嵌入到各时间段中的同步信号嵌入部分。
实施例采用的同步信号嵌入具体方式是基于自相关性的同步方法，将巴克码技术引入到载波同步方法中，将巴克码作为同步码。具体实现方式如下：
选用12位的巴克码
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE001
作为同步信号标记，3072/12=256，每256个采样点嵌入一位巴克码。
设定低频范围系数
Figure 628191DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 689688DEST_PATH_IMAGE004
，中频范围系数
Figure 784158DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE007
，同步信号嵌入部分的DCT域系数
Figure 72051DEST_PATH_IMAGE008
，的取值范围为
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE011
。低频范围系数
Figure 156999DEST_PATH_IMAGE002
，，中频范围系数
Figure 308812DEST_PATH_IMAGE006
，的具体取值建议为：
Figure 989640DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 412531DEST_PATH_IMAGE014
，。
如式1所示，计算低频部分能量最大值
Figure 627348DEST_PATH_IMAGE016
。
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（1）
其中，
Figure 59466DEST_PATH_IMAGE018
表示取DCT域系数
Figure 763111DEST_PATH_IMAGE008
的绝对值的最大值， 。
如式2所示，计算高频部分能量平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE019
。
Figure 231319DEST_PATH_IMAGE020
（2）
设定嵌入强度系数
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE021
，具体取值建议为
Figure 217860DEST_PATH_IMAGE022
，如式3所示修改DCT域系数
Figure 290858DEST_PATH_IMAGE008
。
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE023
（3）
式3中，
Figure 71864DEST_PATH_IMAGE024
为自然数，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 230313DEST_PATH_IMAGE026
表示第
Figure 752036DEST_PATH_IMAGE024
位巴克码。巴克码与DCT变换均为现有技术，本发明不予赘述。
步骤1.3，将待嵌入的隐藏信息分别嵌入到各时间段中的水印信息嵌入部分。其中，原始水印信息或经过纠错编码的水印信息均可作为待嵌入的隐藏信息。
实施例采用的数字水印嵌入具体实现方式为，将原始水印信息进行BCH纠错编码，得到待嵌入的隐藏信息。设原始音频信号水印信息嵌入部分的DCT域系数为
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE027
，从中选取嵌入频段
Figure 679541DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE029
， 其中，
Figure 631448DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE031
。
如式4、式5所示，计算上述两个嵌入频段的能量值
Figure 90242DEST_PATH_IMAGE032
与。
Figure 402275DEST_PATH_IMAGE034
（4）
（5）
设定隐藏信息嵌入强度系数，具体取值建议为
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE037
。通过修改两个嵌入频段的能量值，嵌入隐藏信息方法如下：
Ø 若隐藏信息为1，嵌入后系数值
Figure 572673DEST_PATH_IMAGE038
，其中，
Figure 643397DEST_PATH_IMAGE030
；
Ø 若隐藏信息为0，嵌入后系数值
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE039
，其中，
Figure 575100DEST_PATH_IMAGE031
。
最后，通过逆DCT变换还原到时域，得到带有隐藏信息的音频信号。BCH纠错编码、DCT变换（离散余弦变换）、逆DCT变换均为现有技术，本发明不予赘述。
具体实施时，隐写信息嵌入过程还可以采用其他方式实现。例如嵌入方式二：将原始水印信息进行BCH纠错编码，得到编码后的隐写信息
Figure 414880DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE041
，将其嵌入到音频的双DCT域中，再进行逆双DCT变换，即可得到带水印音频。
Figure 708589DEST_PATH_IMAGE042
为编码后的隐写信息的长度。其中，具体流程如下：
对原始音频信号的水印信息嵌入部分进行分帧，每2048个采样点为一帧，记为
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE043
，对
Figure 876396DEST_PATH_IMAGE043
做首次DCT变换，即可得到
Figure 733494DEST_PATH_IMAGE043
的DCT域系数。
设定水印嵌入系数
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 954708DEST_PATH_IMAGE046
，具体取值建议为
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 62341DEST_PATH_IMAGE048
。取出
Figure 457550DEST_PATH_IMAGE044
中的部分系数：
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 878780DEST_PATH_IMAGE050
，对
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE051
进行第二次DCT变换，得到双DCT域系数
Figure 779871DEST_PATH_IMAGE052
。
设定水印嵌入调整系数为
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE053
，具体取值建议为
Figure 109221DEST_PATH_IMAGE054
。计算水印嵌入分割点
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE055
，根据经编码后的隐写信息为
Figure 121171DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 586787DEST_PATH_IMAGE041
，具体嵌入方法如下：
1) 若
Figure 845730DEST_PATH_IMAGE056
，则如式6修改系数。
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE057
， （6）
2) 若
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE059
，则如式7修改系数。
，
Figure 540083DEST_PATH_IMAGE060
（7）
其中，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE061
表示双DCT域系数
Figure 32244DEST_PATH_IMAGE052
的第
Figure 821340DEST_PATH_IMAGE062
位。
最后，通过逆双DCT变换还原到时域，得到带有隐藏信息的音频信号。BCH纠错编码、DCT变换均为现有技术，本发明不予赘述。
（2）如图2所示，将已嵌入同步信号与水印信息的音频信号（即带有隐藏信息的音频信号）通过扬声播放，经过空气信道传播后录音，得到录制的音频信号。
（3）如图3所示，采用面向空气信道传播的音频数字水印提取方法，提取录制的音频信号中的水印信息。
步骤2.1，定位录制音频信号中的同步信号；
实施例采用的同步信号定位具体实现方式为，设定同步序列提取阈值系数，具体取值建议为
Figure 424359DEST_PATH_IMAGE064
。根据同步信号的嵌入结构，在录制信号的DCT变换域，如式1、式2所示，计算
Figure 67830DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 216046DEST_PATH_IMAGE019
，并如式8所示提取同步序列，其中，
Figure 7284DEST_PATH_IMAGE024
为自然数，
Figure 86099DEST_PATH_IMAGE066
。
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE067
（8）
如式7所示，定义相关性函数
Figure 459443DEST_PATH_IMAGE068
。
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE069
（9）
设定同步信号定位阀值系数
Figure 775630DEST_PATH_IMAGE070
。若
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE071
，则定位了一个同步信号。表示原始巴克码同步序列的第
Figure 936670DEST_PATH_IMAGE010
位，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE073
表示提取的同步序列的第
Figure 102203DEST_PATH_IMAGE010
位。
步骤2.2，提取录制音频信号中的隐藏信息，获得水印信息。其中，若隐藏信息未经过纠错编码，即隐藏信息为水印信息；若隐藏信息经过纠错编码，需对隐藏信息进行纠错译码，从而获得水印信息；
水印提取过程与水印嵌入过程是一个逆向的过程，实施例采用的数字水印提取具体方式为，通过步骤2.1定位同步信号，进行同步译码确定水印段起始位置以后，在录制信号的DCT变换域中，计算两个嵌入频段的能量值
Figure 107068DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 358052DEST_PATH_IMAGE033
，如式10、式11所示。
Figure 778669DEST_PATH_IMAGE034
（10）
Figure 313556DEST_PATH_IMAGE035
（11）
如式12所示，根据
Figure 161426DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 899706DEST_PATH_IMAGE033
提取隐藏信息
Figure 124014DEST_PATH_IMAGE074
,
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 513407DEST_PATH_IMAGE076
为提取的隐藏信息的长度。
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE077
（12）
将提取的隐藏信息
Figure 676054DEST_PATH_IMAGE074
,
Figure 88580DEST_PATH_IMAGE075
经过BCH纠错译码，可获得原始水印信息。BCH纠错译码为现有技术，本发明不予赘述。
具体实施时，隐写信息提取过程与隐写信息嵌入过程相应，还可以采用其他方式实现。例如与前述嵌入方式二对应的隐写信息提取过程为：对待提取的音频信号水印信息嵌入部分进行分帧，每2048个采样点为一帧，并进行双DCT变换，记双DCT域的系数为，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE079
，水印分割点记为
Figure 907949DEST_PATH_IMAGE080
，其中，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE081
为双DCT域系数的长度。如式13、式14所示提取隐藏信息。
Figure 176250DEST_PATH_IMAGE082
（13）
（14）
1) 若
Figure 138390DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE085
；
2) 若
Figure 517550DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 2011102634366100002DEST_PATH_IMAGE087
。
此时，得到隐藏信息序列，
Figure 52229DEST_PATH_IMAGE088
，并对该序列进行BCH纠错译码后，得到原始水印信息。DCT变换、BCH纠错译码为现有技术，本发明不予赘述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种面向空气信道传播的音频数字水印方法，其特征在于：采用面向空气信道传播的音频数字水印嵌入方法，将同步信号与水印信息嵌入到原始的音频信号中；将已嵌入同步信号与水印信息的音频信号通过扬声播放，经过空气信道传播后录音，得到录制的音频信号；采用面向空气信道传播的音频数字水印提取方法，提取录制的音频信号中的水印信息；
所述面向空气信道传播的音频数字水印嵌入方法，包括以下步骤，
步骤1.1，将原始的音频信号分成若干时间段，每一个时间段中包含了同步信号嵌入部分与水印信息嵌入部分；
步骤1.2，将同步信号分别嵌入到步骤1.1所得各时间段中的同步信号嵌入部分；
步骤1.3，将待嵌入的隐藏信息分别嵌入到步骤1.1所得各时间段中的水印信息嵌入部分，所述待嵌入的隐藏信息为原始水印信息或经过纠错编码的水印信息；
所述面向空气信道传播的音频数字水印提取方法，包括以下步骤，
步骤2.1，定位录制音频信号中的同步信号；
步骤2.2，提取录制音频信号中的隐藏信息，获得水印信息。
2.如权利要求1所述面向空气信道传播的音频数字水印方法，其特征在于：若步骤1.3所述待嵌入的隐藏信息为原始水印信息，步骤2.2提出的隐藏信息即为水印信息；若步骤1.3所述待嵌入的隐藏信息为经过纠错编码的水印信息，步骤2.2提取出隐藏信息后进行纠错译码，从而获得水印信息。
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