CN102496371A - 一种针对音频载体的数字水印方法 - Google Patents

一种针对音频载体的数字水印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对音频载体的数字水印方法，包括水印的嵌入和提取两个部分，在水印嵌入部分中，首先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，提取细节子带系数作为数字水印嵌入载体，再将表征数字水印的Chirp信号嵌入到小波细节子带系数中，对嵌入水印后的子带信号进行逆小波变换，得到时域音频信号。在水印提取部分中，先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，得到细节子带系数作为提取载体，再分析该细节子带信号的频谱，计算得到时间和频率相对应的二维信号，接着对二维信号进行Radon变换，得到二维信号及其最大值的坐标，根据其纵坐标值提取水印。本发明对音频信号的版权保护具有较好的应用价值。

Description

一种针对音频载体的数字水印方法
 
技术领域    
    本发明涉及一种针对音频载体的数字水印方法，属信息处理技术领域。
背景技术    
随着计算机和网络技术的飞速发展，数字图像、音频和视频等多媒体数字产品愈来愈需要一种有效的版权保护方法，另外通信系统在网络环境下的信息安全问题也日益暴露出来。数字水印技术为上述问题提供了一个有效的解决方案。
基于音频载体的水印算法常常分为三类：时域算法，变换域算法和压缩域算法。变换域算法主要包括傅里叶变换、离散余弦变换和离散小波变换三种类型。
小波分析是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法，被称为“数学显微镜”，而基于小波变换的数字水印可以抵抗低通滤波和压缩攻击等常见的攻击手段。从90年代末开始，受到越来越多的重视，也涌现出越来越多的基于离散小波变换的数字水印，体现出了比其他域算法更优良的性能。
公开号CN1808495 公开了一种基于小波抗几何攻击的数字水印方法，该发明基于小波变换的数字水印技术，是利用图像特征进行水印提取。
发明内容    
本发明的目的是，要提供一种针对音频载体的数字水印嵌入和提取方法，在小波子带域，嵌入具有不同频率特性的Chirp信号来完成水印嵌入。方法实施简单，复杂度低，在保持较高水印提取率的同时，控制了信号的感知失真。
本发明的技术方案是，本发明是一种针对音频载体的数字水印方法，包括数字水印嵌入部分和数字水印提取部分。
数字水印嵌入部分：首先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，提取细节子带系数作为数字水印嵌入载体，然后将表征数字水印的Chirp信号嵌入到小波细节子带系数中，对嵌入水印后的子带信号进行逆小波变换，得到时域音频信号。
数字水印提取部分：首先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，得到细节子带系数作为提取载体，然后分析该细节子带信号的频谱，计算得到时间和频率相对应的二维信号，接着对该二维信号进行Radon变换，得到变换后的二维信号，找出该二维信号中最大值的坐标，根据其纵坐标值提取水印。
所述数字水印嵌入部分包括以下步骤：
（1）设长度为                                                
Figure 812039DEST_PATH_IMAGE001
的音频信号用表示，其中，
Figure 384282DEST_PATH_IMAGE003
。首先对信号进行分帧处理，帧长为
Figure 156323DEST_PATH_IMAGE004
，每帧信号用
Figure 970695DEST_PATH_IMAGE005
表示，其中，
Figure 668524DEST_PATH_IMAGE006
。
（2）对每帧信号
Figure 309458DEST_PATH_IMAGE005
进行离散小波变换，提取第一级细节子带作为数字水印嵌入载体，用表示，其中，
Figure 446236DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 200565DEST_PATH_IMAGE010
为第一级细节子带系数的长度。
（3）生成不同频率特性的Chirp信号，根据不同的瞬时频率来表征水印信号，方法如下：
Figure 812943DEST_PATH_IMAGE011
      其中，
Figure 336328DEST_PATH_IMAGE012
表示Chirp信号的产生函数，
Figure 140074DEST_PATH_IMAGE013
为信号的时间长度，
Figure 257066DEST_PATH_IMAGE014
为结束时刻，
Figure 909020DEST_PATH_IMAGE015
为信号开始时的瞬时频率，
Figure 552491DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 763024DEST_PATH_IMAGE017
为信号在时刻
Figure 865847DEST_PATH_IMAGE014
时的瞬时频率。
（4）设嵌入的数字水印用 
Figure 944661DEST_PATH_IMAGE018
表示，数字水印的长度为信号的帧数，即
Figure 318005DEST_PATH_IMAGE008
。选取步骤（2）中的细节子带系数进行水印嵌入，根据水印信号的不同，嵌入不同的Chirp信号，具体嵌入方法如下：
      其中，
Figure 417121DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 299627DEST_PATH_IMAGE021
为Chirp信号，为衰减因子，
Figure 843927DEST_PATH_IMAGE008
，。
（5）对嵌入水印的小波子带信号进行逆小波变换，还原得到时域信号。
所述数字水印提取部分包括以下步骤：
（1）对音频信号的每帧信号进行离散小波变换，提取其第一级细节小波子带系数，用
Figure 577844DEST_PATH_IMAGE007
表示，其中
Figure 302611DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 789962DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 590559DEST_PATH_IMAGE010
为第一级细节子带系数的长度。
（2）对步骤（1）得到的细节子带信号进行时频分析得到二维信号，用表示，其中
Figure 253195DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 412912DEST_PATH_IMAGE024
，，和
Figure 408922DEST_PATH_IMAGE027
分别表示该时频信号的行数和列数。
（3）对步骤（2）得到的二维时频信号进行radon变换，角度选取为0~180度，对radon变换后的信号，用表示，其中
Figure 750615DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 316725DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 493760DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 228235DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 615354DEST_PATH_IMAGE032
分别表示该信号的行数和列数。
（4）对步骤（3）得到的randon变换信号，求其最大值的坐标[
Figure 127949DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 925003DEST_PATH_IMAGE034
]，其中
Figure 409205DEST_PATH_IMAGE035
为横坐标，为纵坐标，
Figure 967281DEST_PATH_IMAGE008
。
（5）对嵌入算法中产生的Chirp信号
Figure 935237DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 906735DEST_PATH_IMAGE021
，应用步骤（1）～（4），分别求其时频分布的Radon变换系数中最大值的坐标值，用
Figure 995170DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 860358DEST_PATH_IMAGE038
表示，其中
Figure 874581DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 458009DEST_PATH_IMAGE040
表示横坐标，
Figure 81626DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 942266DEST_PATH_IMAGE042
表示纵坐标。
（6）根据步骤（4）和步骤（5）求出的纵坐标值提取数字水印，方法如下：
Figure 252025DEST_PATH_IMAGE043
      其中，
Figure 676143DEST_PATH_IMAGE044
表示提取得到的数字水印，
Figure 729549DEST_PATH_IMAGE008
。 
本发明与现有技术相比，本发明选择在小波子带进行嵌入，对攻击的鲁棒性更高，由于嵌入表征数字水印的Chirp信号具有特定的频谱特性，其对各种攻击的鲁棒性能较好，同时嵌入时引入了衰减因子，嵌入水印后，信号的感知透明性更高。因此该水印方法适用于对数字音频信号进行版权保护。
附图说明    
图1是本发明数字水印嵌入框图；
图2是本发明数字水印提取框图；
具体实施方式   
本发明具体实施方式提供了一种在音频信号中嵌入及提取数字水印的方法，包括以下两个步骤：
1、数字水印嵌入部分：首先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，提取细节子带系数作为数字水印嵌入载体，然后将表征数字水印的Chirp信号嵌入到小波细节子带系数中，对嵌入水印后的子带信号进行逆小波变换，得到时域音频信号。
具体实施方式如下：
（1）设长度为
Figure 444695DEST_PATH_IMAGE001
的音频信号用表示，其中，
Figure 591698DEST_PATH_IMAGE045
。首先对信号进行分帧处理，帧长为，每帧信号用
Figure 18448DEST_PATH_IMAGE046
表示，其中，
Figure 46840DEST_PATH_IMAGE047
。
（2）对每帧信号
Figure 967523DEST_PATH_IMAGE046
进行离散小波变换，提取第一级细节子带作为数字水印嵌入载体，用表示，其中
Figure 285427DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 373468DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 515868DEST_PATH_IMAGE010
为第一级细节子带系数的长度。
（3）生成不同频率特性的Chirp信号，根据不同的瞬时频率来表征水印信号，方法如下：
Figure 91599DEST_PATH_IMAGE051
      其中，
Figure 494898DEST_PATH_IMAGE052
表示Chirp信号的产生函数，
Figure 629208DEST_PATH_IMAGE013
为信号的时间长度，
Figure 383537DEST_PATH_IMAGE014
为结束时刻，
Figure 494450DEST_PATH_IMAGE015
为信号开始时的瞬时频率，
Figure 17836DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 323046DEST_PATH_IMAGE017
为信号在时刻
Figure 675923DEST_PATH_IMAGE014
时的瞬时频率。
（4）设嵌入的数字水印用 
Figure 216626DEST_PATH_IMAGE053
表示，数字水印的长度为信号的帧数，即
Figure 735463DEST_PATH_IMAGE049
。选取步骤（2）中的细节子带系数进行水印嵌入，根据水印信号的不同，嵌入不同的Chirp信号，具体嵌入方法如下：
Figure 70630DEST_PATH_IMAGE054
     其中，
Figure 173453DEST_PATH_IMAGE055
和
Figure 127633DEST_PATH_IMAGE056
为Chirp信号，
Figure 625611DEST_PATH_IMAGE022
为衰减因子，，
Figure 724727DEST_PATH_IMAGE050
。
（5）对嵌入水印的小波子带信号进行逆小波变换，还原得到时域信号。
2、数字水印提取部分：首先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，得到细节子带系数作为提取载体，然后分析该细节子带信号的频谱，计算得到时间和频率相对应的二维信号，接着对该二维信号进行Radon变换，得到变换后的二维信号，找出该二维信号中最大值的坐标，根据其纵坐标值提取水印。
具体实施方式如下： 
（1）对音频信号的每帧信号进行离散小波变换，提取其第一级细节小波子带系数，用
Figure 482599DEST_PATH_IMAGE048
表示，其中
Figure 208984DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 151532DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 464833DEST_PATH_IMAGE010
为第一级细节子带系数的长度。
（2）对步骤（1）得到的细节子带信号进行时频分析得到二维信号，用表示，其中，，
Figure 9417DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 233725DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 436167DEST_PATH_IMAGE027
分别表示该时频信号的行数和列数。
（3）对步骤（2）得到的二维时频信号进行radon变换，角度选取为0~180度，对radon变换后的信号，用
Figure 720518DEST_PATH_IMAGE060
表示，其中
Figure 506946DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 144732DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 326314DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 158398DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 933587DEST_PATH_IMAGE032
分别表示该信号的行数和列数。
（4）对步骤（3）得到的randon变换信号
Figure 499697DEST_PATH_IMAGE060
，求其最大值的坐标[,]，其中
Figure 798326DEST_PATH_IMAGE035
为横坐标，
Figure 302817DEST_PATH_IMAGE036
为纵坐标，
Figure 458992DEST_PATH_IMAGE049
。
（5）对嵌入算法中产生的Chirp信号和
Figure 114150DEST_PATH_IMAGE056
，应用步骤（1）～（4），分别求其时频分布的Radon变换系数中最大值的坐标值，用
Figure 287642DEST_PATH_IMAGE065
和
Figure 173690DEST_PATH_IMAGE066
表示，其中
Figure 518477DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 614609DEST_PATH_IMAGE040
表示横坐标，
Figure 936000DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 66767DEST_PATH_IMAGE042
表示纵坐标。
（6）根据步骤（4）和步骤（5）求出的纵坐标值提取数字水印，方法如下：
Figure 579526DEST_PATH_IMAGE067
      其中，
Figure 162954DEST_PATH_IMAGE068
表示提取得到的数字水印，
Figure 288036DEST_PATH_IMAGE049
。 

Claims (4)

1.一种针对音频载体的数字水印方法，其特征在于，所述方法包括数字水印嵌入部分和数字水印提取部分；
所述数字水印嵌入部分：首先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，提取细节子带系数作为数字水印嵌入载体，然后将表征数字水印的Chirp信号嵌入到小波细节子带系数中，对嵌入水印后的子带信号进行逆小波变换，得到时域音频信号；
所述数字水印提取部分：首先对音频信号进行分帧处理，对每帧信号进行离散小波变换，得到细节子带系数作为提取载体，然后分析该细节子带信号的频谱，计算得到时间和频率相对应的二维信号，接着对该二维信号进行Radon变换，得到变换后的二维信号，找出该二维信号中最大值的坐标，根据其纵坐标值提取水印。
2.根据权利要求1所述的一种针对音频载体的数字水印方法，其特征在于，所述数字水印嵌入部分包括以下步骤：
（1）设长度为                                               的音频信号用
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE004
表示，其中，；首先对信号进行分帧处理，帧长为，每帧信号用
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE010
表示，其中，；
（2）对每帧信号
Figure 827358DEST_PATH_IMAGE010
进行离散小波变换，提取第一级细节子带作为数字水印嵌入载体，用
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE014
表示，其中
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE020
为第一级细节子带系数的长度；
（3）设嵌入的数字水印用  
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE022
表示，数字水印的长度为信号的帧数，即
Figure 557548DEST_PATH_IMAGE016
；选取步骤（2）中的细节子带系数进行水印嵌入，根据水印信号的不同，嵌入不同的Chirp信号，具体嵌入方法如下：
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE024
    其中，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE026
和为Chirp信号，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE030
为衰减因子，
Figure 22771DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 480297DEST_PATH_IMAGE018
；
（4）对嵌入水印的小波子带信号进行逆小波变换，还原得到时域信号。
3.根据权利要求2所述的一种针对音频载体的数字水印方法，其特征在于，不同的Chirp信号表示不同水印信息，所述Chirp信号的频谱呈线性分布，根据不同的瞬时频率来表征水印信号，方法如下：
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE032
    其中，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE034
表示Chirp信号的产生函数，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE036
为信号的时间长度，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE038
为结束时刻，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE040
为信号开始时的瞬时频率，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE044
为信号在时刻时的瞬时频率。
4.根据权利要求1所述的一种针对音频载体的数字水印方法，其特征在于，所述数字水印提取部分包括以下步骤：
（1）对音频信号的每帧信号进行离散小波变换，提取其第一级细节小波子带系数，用
Figure 570928DEST_PATH_IMAGE014
表示，其中
Figure 837962DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 99179DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 331839DEST_PATH_IMAGE020
为第一级细节子带系数的长度；
（2）对步骤（1）得到的细节子带信号进行时频分析得到二维信号，用
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE046
表示，其中
Figure 387520DEST_PATH_IMAGE016
，，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE054
分别表示该时频信号的行数和列数；
（3）对步骤（2）得到的二维时频信号进行radon变换，角度选取为0~180度，对radon变换后的信号，用
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE056
表示，其中
Figure 889652DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE064
分别表示该信号的行数和列数；
（4）对步骤（3）得到的randon变换信号，求其最大值的坐标[,
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE068
]，其中为横坐标，为纵坐标，
Figure 654444DEST_PATH_IMAGE016
；
（5）对嵌入算法中产生的Chirp信号
Figure 84288DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 388230DEST_PATH_IMAGE028
，应用步骤（1）～（4），分别求其时频分布的Radon变换系数中最大值的坐标值，用
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE074
和表示，其中和表示横坐标，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE084
表示纵坐标；
（6）根据步骤（4）和步骤（5）求出的纵坐标值提取数字水印，方法如下：
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE086
    其中，
Figure 2011104008920100001DEST_PATH_IMAGE088
表示提取得到的数字水印，
Figure 37255DEST_PATH_IMAGE016
。
 
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