CN102496371B - 一种针对音频载体的数字水印方法 - Google Patents

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L的音频信号用x[i]表示，其中，1≤i≤L。首先对信号进行分帧处理，帧长为N，每帧信号用x_n[i]表示，其中，

。

（2）对每帧信号x_n[i]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D_i[j]表示，其中

，1≤j≤N_d，N_d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：

$\begin{array}{c}{C}_1\left[j\right]=\mathrm{chirp}(T,F_0,T_1,F_1)\\ C_2\left[j\right]=\mathrm{chirp}(T,F_0,T_1,F_2)\end{array}$

其中，chirp()表示Chirp信号的产生函数，T为信号的时间长度，T₁为结束时刻，F₀为信号开始时的瞬时频率，F₁和F₂为信号在时刻T₁时的瞬时频率。

（4）设嵌入的数字水印用w[i]表示，数字水印的长度为信号的帧数，即

。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，C₁[j]和C₂[j]为Chirp信号，α_i为衰减因子，，1≤j≤N_d。

（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D_i[j]表示，其中

，1≤j≤N_d，N_d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TF_i[m][k]表示，其中

，1≤m≤M，1≤k≤K，M和K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RF_i[u][k]表示，其中

，1≤u≤U，1≤v≤V，U和V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RF_i[u][k]，求其最大值的坐标[Rx(i),Ry(i)]，其中Rx为横坐标，Ry为纵坐标，。

（5）对嵌入算法中产生的Chirp信号C₁[j]和C₂[j]，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[cx₁,cy₁]和[cx₂,cy₂]表示，其中cx₁和cx₂表示横坐标，cy₁和cy₂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：

其中，w′(·)表示提取得到的数字水印，

。

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L的音频信号用x[i]表示，其中，1≤i≤L。首先对信号进行分帧处理，帧长为N，每帧信号用x_n[i]表示，其中，

。

（2）对每帧信号x_n[i]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D_i[j]表示，其中

，1≤j≤N_d，N_d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：

$\begin{array}{c}{C}_1\left[j\right]=\mathrm{chirp}(T,F_0,T_1,F_1)\\ C_2\left[j\right]=\mathrm{chirp}(T,F_0,T_1,F_2)\end{array}$

其中，chirp()表示Chirp信号的产生函数，T为信号的时间长度，T₁为结束时刻，F₀为信号开始时的瞬时频率，F₁和F₂为信号在时刻T₁时的瞬时频率。

（4）设嵌入的数字水印用w[i]表示，数字水印的长度为信号的帧数，即

。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，C₁[j]和C₂[j]为Chirp信号，α_i为衰减因子，

，1≤j≤N_d。

（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D_i[j]表示，其中，1≤j≤N_d，N_d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TF_i[m][k]表示，其中

，1≤m≤M，1≤k≤K，M和K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RF_i[u][v]表示，其中

，1≤u≤U，1≤v≤V，U和V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RF_i[u][v]，求其最大值的坐标[Rx(i),Ry(i)]，其中Rx为横坐标，Ry为纵坐标，。

（5）对嵌入算法中产生的Chirp信号C₁[j]和C₂[j]，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[cx₁,cy₁]和[cx₂,cy₂]表示，其中cx₁和cx₂表示横坐标，cy₁和cy₂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：

其中，w′(·)表示提取得到的数字水印，。

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，提取小波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L的音频信号用x[i]表示，其中，1≤i≤L；首先对信号进行分帧处理，帧长为N，每帧信号用x_n[i]表示，其中，

；

（2）对每帧信号x_n[i]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D_i[j]表示，其中，1≤j≤N_d，N_d为第一级细节子带系数的长度；

（3）设嵌入的数字水印用w[i]表示，数字水印的长度为信号的帧数，即

；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，C₁[j]和C₂[j]为Chirp信号，α_i为衰减因子，

，1≤j≤N_d；

（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：

$\begin{array}{c}{C}_1\left[j\right]=\mathrm{chirp}(T,F_0,T_1,F_1)\\ C_2\left[j\right]=\mathrm{chirp}(T,F_0,T_1,F_2)\end{array}$

其中，chirp()表示Chirp信号的产生函数，T为信号的时间长度，T₁为结束时刻，F₀为信号开始时的瞬时频率，F₁和F₂为信号在时刻T₁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D_i[j]表示，其中

，1≤j≤N_d，N_d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TF_i[m][k]表示，其中

，1≤m≤M，1≤k≤K，M和K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RF_i[u][v]表示，其中

，1≤u≤U，1≤v≤V，U和V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RF_i[u][v]，求其最大值的坐标[Rx(i),Ry(i)]，其中Rx为横坐标，Ry为纵坐标，

；

（5）对嵌入算法中产生的Chirp信号C₁[j]和C₂[j]，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[cx₁,cy₁]和[cx₂,cy₂]表示，其中cx₁和cx₂表示横坐标，cy₁和cy₂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：

其中，w′(·)表示提取得到的数字水印，

。

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