CN103455972A - 一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法 - Google Patents

一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103455972A
CN103455972A CN2013104084622A CN201310408462A CN103455972A CN 103455972 A CN103455972 A CN 103455972A CN 2013104084622 A CN2013104084622 A CN 2013104084622A CN 201310408462 A CN201310408462 A CN 201310408462A CN 103455972 A CN103455972 A CN 103455972A
Authority
CN
China
Prior art keywords
watermark
carrier
pseudo
sequence
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2013104084622A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103455972B (zh
Inventor
张鹏
李晔
马晓凤
樊燕红
姜竞赛
郝秋赟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Computer Science Center
Original Assignee
Shandong Computer Science Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Computer Science Center filed Critical Shandong Computer Science Center
Priority to CN201310408462.2A priority Critical patent/CN103455972B/zh
Publication of CN103455972A publication Critical patent/CN103455972A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103455972B publication Critical patent/CN103455972B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Editing Of Facsimile Originals (AREA)

Abstract

本发明的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，包括：a)生成一组伪随机序列；b)用函数对序列进行预处理；c)载体信号变换；d)预处理并求取内积；e)根据载体与水印的相关性计算水印功率衰减因子
Figure 2013104084622100004DEST_PATH_IMAGE006
；f)水印信息嵌入；g)获取含水印的多媒体信号。水印提取过程包括：h)含水印信号的变换；i)预处理含水印信号；j)生成参考序列；k)获取判决变量；l)提取水印信息。本发明的多比特扩频水印方法，充分利用载体来增强水印的稳健性，缓和了水印速率、透明度与稳健性之间的矛盾，从而获得比现有方案更优异的性能。另一方面，本发明所述方法对载体类型、载体向量的获得方式以及嵌入端与提取端的预处理方法没有任何限制，具有很好的通用性。

Description

一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法
技术领域
 本发明涉及一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，更具体的说，尤其涉及一种对水印速率、透明度与稳健性进行优化的、利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法。
背景技术
数字水印通常指在音频、图像、视频等多媒体载体中嵌入难以被察觉的版权标识、控制信息或秘密消息等，并在接收端提取出这些信息。近年来，数字水印技术被广泛应用于版权保护、真伪鉴定、设备控制、广播监测和隐蔽通信等领域。数字水印系统的性能指标主要包括：透明度，反映嵌入水印对载体品质的影响；嵌入速率，即水印的信息速率；以及稳健性，即经过多媒体信号处理或恶意攻击后水印的恢复能力。通常希望水印透明度好（对载体影响小）、速率高且稳健性强（能够抵抗大多数信号处理和攻击），但三者难以兼得。
扩频（Spread Spectrum, SS）调制是保密通信和第三代移动通信的关键技术，它能够以极低的信号功率实现可靠的通信，由此也成为数字水印的一类基本方案。扩频水印利用伪随机序列将每个水印信息比特的能量分散后再叠加到载体上，接收端通过相关运算削弱与该伪随机序列不相关的干扰并解调出水印信息。扩频水印具有透明度好、稳健性强、易于实现自同步等优点，从而广泛应用于稳健水印系统中。然而，传统的扩频水印存在两大缺陷：
1）由于水印的频谱需要被充分扩展以对抗干扰，而扩展后的水印频谱不能超过载体带宽，因此水印的嵌入速率受到极大的限制，通常只有载体速率的千分之一甚至万分之一；
2）由于水印叠加到载体上，因此载体对水印的解调形成强干扰，限制了水印的稳健性，即使在无攻击的条件下接收端也难以实现零误码的水印提取。
为了改善扩频水印的嵌入速率，常采用多比特扩频调制，如码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）。该方案将水印比特等分成若干组，对每组中的各个水印比特分别采用扩频调制，再将调制后的水印序列叠加并嵌入到载体信号中。然而，该方案等效于若干个独立的一比特扩频水印的叠加，其依然面临载体对水印的干扰问题，随着水印嵌入速率的提高其稳健性急剧恶化。
为了削弱扩频水印中载体对水印的干扰，Malvar等提出了改进扩频（Improved Spread Spectrum, ISS）调制技术，在嵌入端利用水印序列与载体信号的相关性来补偿载体对水印的干扰，从而实现了无攻击时零误码的水印提取。进一步地，Mayer等将改进扩频调制扩展到基于CDMA的水印系统中，改善了多比特扩频水印的稳健性。然而，最新的研究成果表明，扩频水印中部分载体分量对水印的恢复具有积极作用，巧妙地利用这部分有益的载体分量将缓和水印的嵌入速率、透明度及稳健性之间的矛盾，进而提高扩频水印系统的性能。现有的多比特扩频水印方案或无视载体的干扰，或将其完全抵消，均无法发挥载体对水印的积极作用。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种对水印速率、透明度与稳健性进行优化的、利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法。
本发明的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特别之处在于，包括水印嵌入和水印提取步骤，设需要在                                               个载体数据中嵌入
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE004
个水印比特；所述水印嵌入通过以下步骤来实现：
a).生成伪随机序列，伪随机序列发生器根据给定的密钥产生
Figure 842388DEST_PATH_IMAGE004
个长度为
Figure 697212DEST_PATH_IMAGE002
的伪随机序列，用列向量
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE006
(
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE008
)表示，序列中各元素取值为
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE010
；伪随机序列可以选用m序列、Gold序列、混沌序列等；
b).对伪随机序列进行预处理，采用函数表达式为的嵌入端预处理方法，对步骤a)中生成的伪随机序列进行预处理，以使其符合水印透明度的要求；处理后的伪随机序列记作
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE016
；该预处理过程可以是任意确定性的信号处理，如幅度压缩、滤波、基于感知模型的水印整形等，也可以是空操作（即
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE018
）； 
c).载体信号变换，利用可逆的数学变换将载体信号转换为可进行水印嵌入的嵌入域信号，并逐段分割为等长的、元素个数为的载体向量；该变换方式可以是离散傅里叶变换、离散余弦变换或离散小波变换，或者为计算特征值、奇异值或范数的载体特征提取或分解方法；
d).预处理并求取内积，采用函数表达式为
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE022
的提取端预处理方法，对载体序列
Figure 762173DEST_PATH_IMAGE020
和步骤b)中处理后的伪随机序列
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE024
进行处理，处理后的结果分别为
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE028
；预处理方法可以是放大、滤波、降噪等信号处理方法，也可以是空操作（即不处理）；
对于元素个数均为
Figure 766426DEST_PATH_IMAGE002
的列向量
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE032
来说，定义向量内积为
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE034
，其中
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE036
表示向量转置；按照下面的公式分别计算
Figure 339620DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 847132DEST_PATH_IMAGE028
与
Figure 983716DEST_PATH_IMAGE004
个伪随机序列
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE038
的内积：
，
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE042
，其中
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE044
；
e).计算水印功率衰减因子
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE046
，给出关于
Figure 964179DEST_PATH_IMAGE046
的线性方程组：，其中：
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE052
；
, 
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE056
；
常数
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE058
用于控制水印的稳健性与透明度，其取值满足0＜
Figure 85106DEST_PATH_IMAGE058
＜1；
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE060
为载体干扰抑制因子，
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE062
表示当前载体序列中待嵌入的第个水印比特上的载体干扰被完全抵消，表示载体干扰被完全保留；
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE068
，为第个待嵌入的水印比特，
Figure 825715DEST_PATH_IMAGE056
；
由线性方程组可得，
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE072
，根据判定的
Figure 788248DEST_PATH_IMAGE060
值和给定的
Figure 155775DEST_PATH_IMAGE058
值，可求出各伪随机序列的功率衰减因子
Figure 397401DEST_PATH_IMAGE046
；其中，对于足够长的伪随机序列，不同序列之间的相关性很小，即，则矩阵
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE076
可逆，因此功率因子
Figure 547891DEST_PATH_IMAGE046
可通过
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE078
进行求解。本发明在求解该线性方程组的方法方面不受限制。
f).水印信息的嵌入，采用如下式所示的多比特扩频水印嵌入方法实现水印序列与载体信号的叠加；
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE080
其中，
Figure 565263DEST_PATH_IMAGE020
为载体向量，
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE082
为嵌入水印后的向量；
g).获取含水印的多媒体信号，采用步骤c)中数学变换的逆变换，将嵌入域中含水印信息的信号
Figure 775796DEST_PATH_IMAGE082
反变换回原始载体所在的时域或空域，得到含水印的多媒体信号。
本发明的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，所述水印提取通过以下步骤来实现：
h).含水印信号的变换，采用与步骤c)中相同的数学变换，将接收到的含水印的多媒体信号转换为嵌入域信号，并逐段分割为元素个数为
Figure 504717DEST_PATH_IMAGE002
的含水印的序列
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE084
；
i).预处理含水印信号，采用与步骤d)中相同的提取端预处理方法
Figure 22680DEST_PATH_IMAGE022
，对含水印的序列进行预处理，得到处理结果
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE086
；
j).生成参考序列，伪随机序列发生器根据与步骤a)中相同的密钥产生
Figure 229987DEST_PATH_IMAGE004
个长度为
Figure 118309DEST_PATH_IMAGE002
的参考序列
Figure 814DEST_PATH_IMAGE038
(
Figure 290981DEST_PATH_IMAGE056
)，序列
Figure 669747DEST_PATH_IMAGE038
与步骤a)中的伪随机序列
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE088
(
Figure 45365DEST_PATH_IMAGE016
)一致；
k).获取判决变量，计算各参考序列与预处理后的含水印信号的内积，得到个判决变量，记作
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE090
，其中；
l).提取水印信息，根据判决变量的符号解调出嵌入的水印信息，恢复出的第
Figure 927368DEST_PATH_IMAGE064
个水印比特记作
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE092
，其中
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE094
为取符号函数，
Figure 303465DEST_PATH_IMAGE056
。
本发明所述利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，步骤a)中生成的伪随机序列和步骤j)中生成的参考序列为m序列、Gold序列或混沌序列。
本发明所述利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，步骤b)中对伪随机序列进行预处理的方法为幅度压缩、滤波、基于感知模型的水印整形或者空操作；在载体信号为音频信号的情况下，则步骤b)中的预处理方法采用心理声学模型对生成的伪随机序列进行整形，其通过以下步骤来实现：
b-1). 转换为子带数据，利用分析子带滤波器将音频采样序列和伪随机序列(
Figure 748987DEST_PATH_IMAGE008
)进行分段，每段转换为频域的384个子带数据，分别记作和，其中
Figure 2013104084622100002DEST_PATH_IMAGE100
；
b-2). 计算信号掩蔽比，通过MPEG-1心理声学模型计算输入音频信号的32个子带的信号掩蔽比，单位为dB，并以相邻的12个值相同的形式将其插值为384个值，记为；
b-3).对子带数据进行整形，按照下面的公式对伪随机序列的子带数据进行整形：
；
其中函数
Figure DEST_PATH_IMAGE106
返回两个参数中的最小值；
b-4).转换至时域，利用合成子带滤波器将整形后的伪随机序列的子带数据
Figure DEST_PATH_IMAGE108
转换回时域，得到
Figure 36880DEST_PATH_IMAGE024
。
本发明所述利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，步骤c)中的可逆的数学变换为离散傅里叶变换、离散余弦变换或离散小波变换，或者为计算特征值、奇异值或范数的载体特征提取或分解方法。
本发明所述利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，步骤d)与步骤i)中的提取端预处理方法
Figure DEST_PATH_IMAGE110
为放大、滤波、降噪或者空操作。
本发明所述利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，步骤e)中
Figure 2562DEST_PATH_IMAGE058
的取值范围为0.5≤
Figure 184144DEST_PATH_IMAGE058
≤0.8。
本发明的有益效果是：本发明的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，与现有技术相比，充分利用载体来增强扩频水印的稳健性，从而在相同的水印速率和透明度条件下使水印具有更好的抗干扰能力。分析如下：
水印提取端的输入信号经嵌入域变换后（记作）可以表示为嵌入水印后的变换域信号
Figure 588154DEST_PATH_IMAGE082
与加性干扰噪声（记为
Figure DEST_PATH_IMAGE112
）之和，即
Figure DEST_PATH_IMAGE114
；根据步骤f)中的水印嵌入方法及步骤k)中的水印解调方法，得到的判决变量可表示为：
其中
Figure 341216DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 642884DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure DEST_PATH_IMAGE118
Figure DEST_PATH_IMAGE120
。
根据步骤e)中的线性方程组
Figure DEST_PATH_IMAGE122
，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE124
代入上述判决变量
Figure DEST_PATH_IMAGE126
的表示式，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE128
现有的基于CDMA的多比特扩频水印方案可分为如下两类，并均可用上述模型进行描述。以下将其与本发明进行对比以体现本发明的技术优势。
对照方案1）：基于传统扩频的CDMA水印方案（SS-CDMA），等效于
Figure 504923DEST_PATH_IMAGE066
，则其判决变量可写作
Figure DEST_PATH_IMAGE130
。根据步骤l)中的水印比特判决方式
Figure 829725DEST_PATH_IMAGE092
，易知当
Figure DEST_PATH_IMAGE132
时，载体分量
Figure DEST_PATH_IMAGE134
将使判决变量
Figure 137210DEST_PATH_IMAGE126
的幅度降低，从而导致水印的抗干扰能力下降，甚至直接改变
Figure 455234DEST_PATH_IMAGE126
的符号而造成解调错误。因此，该方案的水印稳健性受到载体的严重影响。
对照方案2）：基于改进扩频的CDMA水印方案（ISS-CDMA），等效于，则其判决变量可写作
Figure DEST_PATH_IMAGE138
。与对照方案1）相比，载体分量
Figure 189972DEST_PATH_IMAGE134
被完全抵消，即不存在载体干扰，其水印稳健性显著优于对照方案1）。特别地，当
Figure DEST_PATH_IMAGE140
取最优参数时，该方案的水印稳健性达到最佳。
在本发明中，按照步骤e)中参数
Figure 736491DEST_PATH_IMAGE140
的计算方式，可以得到判决变量的表示式如下
Figure DEST_PATH_IMAGE142
当
Figure DEST_PATH_IMAGE144
时，判决变量的形式与对照方案2）相同，载体干扰被抵消；当
Figure DEST_PATH_IMAGE146
时，对照方案2）中判决变量的绝对值为
Figure DEST_PATH_IMAGE148
（
Figure DEST_PATH_IMAGE150
），而本发明中判决变量的绝对值为
Figure DEST_PATH_IMAGE152
即本发明中的判决变量具有更大的幅度以对抗干扰，其表示式中的
Figure DEST_PATH_IMAGE154
一项体现了本发明所述的利用载体增强水印稳健性的技术路线。
水印的稳健性常用水印解调的误比特率来衡量。在白噪声干扰下，本发明所述方案与对照方案的水印误比特率随信噪比（以dB为单位）的变化如图3所示，下方的曲线具有更好的稳健性（各方案的水印透明度和嵌入速率保持一致）。可见，由于本发明充分利用载体来增强水印的稳健性，缓和了水印速率、透明度与稳健性之间的矛盾，因而获得比现有方案更优异的性能。另一方面，本发明所述方法对载体类型、载体向量的获得方式以及嵌入端与提取端的预处理方法没有任何限制，因而具有很好的通用性。
附图说明
图1为本发明中水印嵌入的原理图；
图2为本发明中水印提取的原理图；
图3为本发明的方法与现有方法的水印稳健性实验结果对比；
图4为实施例中嵌入端预处理的原理图。
具体实施方式
下面结合附图与音频水印中的实施例对本发明作进一步说明。
音频载体为音频信号的时域采样序列，每
Figure 96934DEST_PATH_IMAGE002
个采样点为一帧，每帧嵌入
Figure 107616DEST_PATH_IMAGE004
个水印比特，则水印嵌入速率为
Figure DEST_PATH_IMAGE156
(bit/s)，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE158
为音频采样率，常见32000/44100/48000 Hz等。
Figure 514720DEST_PATH_IMAGE002
越大或越小则水印稳健性越好，但速率越低，通常可取
Figure DEST_PATH_IMAGE160
，
Figure DEST_PATH_IMAGE162
。根据图1，水印嵌入过程包括以下步骤：
步骤(1)，伪随机序列发生器根据给定的密钥产生
Figure 135505DEST_PATH_IMAGE004
个长度为
Figure 436911DEST_PATH_IMAGE002
的伪随机序列，用列向量
Figure DEST_PATH_IMAGE164
表示，序列各元素取值为
Figure DEST_PATH_IMAGE166
（双极性）。扩频水印中帧长
Figure DEST_PATH_IMAGE168
通常较大，不同的伪随机序列所得到的水印性能基本相同。
伪随机序列可以通过
Figure DEST_PATH_IMAGE170
来获取，其中为第
Figure DEST_PATH_IMAGE174
个长为
Figure 388818DEST_PATH_IMAGE168
的双极性Walsh序列；为长为
Figure 411394DEST_PATH_IMAGE168
的任意双极性伪随机序列，可由Matlab等软件产生；
Figure DEST_PATH_IMAGE178
表示两个向量对应元素相乘。由于Walsh序列的正交性，上述方法构造了
Figure DEST_PATH_IMAGE180
个伪随机正交序列，即
Figure DEST_PATH_IMAGE182
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE184
定义为两个向量的内积。
步骤(2)，嵌入端预处理器对生成的伪随机序列进行预处理，使其符合水印透明度的要求。预处理方法用函数
Figure DEST_PATH_IMAGE186
表示，处理后的序列记作。本例中采用MPEG-1（ISO/IEC 11172-3）中的心理声学模型对生成的伪随机序列进行整形，整形方法见文献P. Zhang, S. Xu, and H. Yang, “Robust audio watermarking based on extended improved spread spectrum with perceptual masking,” International Journal of Fuzzy Systems, vol. 14, no. 2, pp. 289-295, 2012. 基于上述整形方案的嵌入端预处理器结构如图4所示，主要步骤包括：
2.1)，分析子带滤波器将音频采样序列和第
Figure 910377DEST_PATH_IMAGE174
个伪随机序列
Figure 833334DEST_PATH_IMAGE164
分段，每段转换为频域的384个子带数据，分别记作
Figure 80775DEST_PATH_IMAGE096
和
Figure 89183DEST_PATH_IMAGE098
Figure DEST_PATH_IMAGE190
。
2.2)，通过MPEG-1心理声学模型计算每段输入音频信号的32个子带的信号掩蔽比（以dB为单位），并插值为384个值（每个子带的信号掩蔽比重复12次），记为
Figure DEST_PATH_IMAGE192
。
2.3)，频谱整形器按下式对输入伪随机序列的子带数据进行整形：
Figure 519420DEST_PATH_IMAGE104
2.4)，合成子带滤波器将整形后的伪随机序列的子带数据
Figure DEST_PATH_IMAGE194
转换回时域，得到
Figure 359200DEST_PATH_IMAGE024
。
上述预处理方案仅为本发明的一个实施例；事实上，本发明所述的嵌入端预处理过程可以是任何确定性的信号处理，本发明的范围在此方面不受限制。
步骤(3)，由于步骤(2)中已将整形后的伪随机序列转换至时域，可直接在时域进行水印嵌入，故本例中嵌入域变换为空变换，变换后的载体序列
Figure 777543DEST_PATH_IMAGE020
即为音频的时域采样序列。
步骤(4)，水印嵌入过程可以表示为
Figure 69984DEST_PATH_IMAGE080
其中，
Figure 864765DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 559052DEST_PATH_IMAGE082
分别为载体音频信号和嵌入水印后的音频；
Figure DEST_PATH_IMAGE196
为待嵌入的水印信息比特；
Figure 646831DEST_PATH_IMAGE046
为各伪随机序列的功率衰减因子，由功率调节器计算，步骤如下：
4.1)，水印提取端预处理器采用高通滤波器，并记作。高通滤波器的阻带和通带边缘频率分别设置为3kHz和4kHz，用于滤除音频信号的低频分量。阻带衰减和通带波纹分别设置为-20dB和0.05。滤波器的结构与设计方法对系统性能的影响不显著，其系数可用Matlab等数学工具产生。该预处理过程也可以是其它任何确定性的信号处理，本发明的范围在此方面不受限制。用
Figure 962723DEST_PATH_IMAGE110
对载体序列
Figure 511516DEST_PATH_IMAGE020
及嵌入端预处理后的伪随机序列
Figure 599558DEST_PATH_IMAGE024
进行滤波处理，并分别计算它们与
Figure 804274DEST_PATH_IMAGE004
个参考序列
Figure 3174DEST_PATH_IMAGE038
的内积。此过程可表示为
，  
4.2)，求解关于
Figure 545308DEST_PATH_IMAGE046
的线性方程组
Figure 6376DEST_PATH_IMAGE122
，得到
Figure 436221DEST_PATH_IMAGE078
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE198
 
常数
Figure 349950DEST_PATH_IMAGE058
用于控制水印的稳健性与透明度，其取值应满足约束
Figure DEST_PATH_IMAGE200
，越大则水印稳健性越强，但透明度越差。通常
Figure 326871DEST_PATH_IMAGE058
可取0.5~0.8。载体干扰分析器按下式计算载体干扰抑制因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE202
代入方程组
Figure 243191DEST_PATH_IMAGE122
后由衰减因子计算器求解，并将计算得到的
Figure 909796DEST_PATH_IMAGE046
代入步骤(4)中的水印嵌入公式，产生含水印的载体序列
Figure 427758DEST_PATH_IMAGE082
。由于本例中嵌入域为时域，故
Figure 302567DEST_PATH_IMAGE082
即为含水印的音频信号。
水印提取单元按照图2所示流程提取水印。由于本例中水印的嵌入域为时域，故水印提取单元直接对接收到的音频时域采样序列
Figure 808635DEST_PATH_IMAGE084
进行水印提取。提取端预处理器按4.1)中的方法对音频信号进行高通滤波，结果用表示。伪随机序列发生器及其密钥应与嵌入单元一致，故得到与嵌入端相同的
Figure 962535DEST_PATH_IMAGE004
个参考序列
Figure DEST_PATH_IMAGE206
。解调器计算各参考序列与预处理后的音频信号的内积，得到
Figure 782724DEST_PATH_IMAGE004
个判决变量
Figure DEST_PATH_IMAGE208
，并根据其符号恢复出嵌入的水印信息，即
Figure 571426DEST_PATH_IMAGE092
。
本发明充分利用载体来增强水印的稳健性，缓和了水印速率、透明度与稳健性之间的矛盾，因而获得比现有方案更优异的性能。另一方面，本发明所述方法对载体类型、载体向量的获得方式以及嵌入端与提取端的预处理方法没有任何限制，因而具有很好的通用性。

Claims (7)

1.一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，包括水印嵌入和水印提取步骤，设需要在                                               
Figure 2013104084622100001DEST_PATH_IMAGE002
个载体数据中嵌入
Figure 2013104084622100001DEST_PATH_IMAGE004
个水印比特；所述水印嵌入通过以下步骤来实现：
a).生成伪随机序列，伪随机序列发生器根据给定的密钥产生
Figure 851804DEST_PATH_IMAGE004
个长度为
Figure 289738DEST_PATH_IMAGE002
的伪随机序列，用列向量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
()表示，序列中各元素取值为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
b).对伪随机序列进行预处理，采用函数表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
的嵌入端预处理方法，对步骤a)中生成的伪随机序列进行预处理，以使其符合水印透明度的要求；处理后的伪随机序列记作
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
c).载体信号变换，利用可逆的数学变换将载体信号转换为可进行水印嵌入的嵌入域信号，并逐段分割为等长的、元素个数为
Figure 897306DEST_PATH_IMAGE002
的载体向量
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
d).预处理并求取内积，采用函数表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
的提取端预处理方法，对载体序列
Figure 746707DEST_PATH_IMAGE018
和步骤b)中处理后的伪随机序列
Figure DEST_PATH_IMAGE022
进行处理，处理后的结果分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
对于元素个数均为
Figure 469943DEST_PATH_IMAGE002
的列向量
Figure DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE030
来说，定义向量内积为
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
表示向量转置；按照下面的公式分别计算
Figure 769075DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 931067DEST_PATH_IMAGE026
与
Figure 195826DEST_PATH_IMAGE004
个伪随机序列
Figure DEST_PATH_IMAGE036
的内积：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，其中；
e).计算水印功率衰减因子，给出关于
Figure 981641DEST_PATH_IMAGE044
的线性方程组：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
, 
Figure DEST_PATH_IMAGE054
；
常数
Figure DEST_PATH_IMAGE056
用于控制水印的稳健性与透明度，其取值满足0＜
Figure 708682DEST_PATH_IMAGE056
＜1；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为载体干扰抑制因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
表示当前载体序列中待嵌入的第个水印比特上的载体干扰被完全抵消，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
表示载体干扰被完全保留；
Figure DEST_PATH_IMAGE066
，为第
Figure 720370DEST_PATH_IMAGE062
个待嵌入的水印比特，
Figure 901952DEST_PATH_IMAGE054
；
由线性方程组
Figure DEST_PATH_IMAGE068
可得，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
，根据判定的
Figure 232571DEST_PATH_IMAGE058
值和给定的
Figure 132393DEST_PATH_IMAGE056
值，可求出各伪随机序列的功率衰减因子
Figure 698504DEST_PATH_IMAGE044
；
f).水印信息的嵌入，采用如下式所示的多比特扩频水印嵌入方法实现水印序列与载体信号的叠加：
其中，
Figure 162022DEST_PATH_IMAGE018
为载体向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为嵌入水印后的向量；
g).获取含水印的多媒体信号，采用步骤c)中数学变换的逆变换，将嵌入域中含水印信息的信号
Figure 725859DEST_PATH_IMAGE074
反变换回原始载体所在的时域或空域，得到含水印的多媒体信号。
2.根据权利要求1所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，所述水印提取通过以下步骤来实现：
h).含水印信号的变换，采用与步骤c)中相同的数学变换，将接收到的含水印的多媒体信号转换为嵌入域信号，并逐段分割为元素个数为
Figure 50661DEST_PATH_IMAGE002
的含水印的序列
Figure DEST_PATH_IMAGE076
；
i).预处理含水印信号，采用与步骤d)中相同的提取端预处理方法
Figure 466468DEST_PATH_IMAGE020
，对含水印的序列
Figure 937157DEST_PATH_IMAGE076
进行预处理，得到处理结果
Figure DEST_PATH_IMAGE078
；
j).生成参考序列，伪随机序列发生器根据与步骤a)中相同的密钥产生
Figure 671894DEST_PATH_IMAGE004
个长度为的参考序列
Figure 765807DEST_PATH_IMAGE036
(
Figure 714172DEST_PATH_IMAGE054
)，序列
Figure 682128DEST_PATH_IMAGE036
与步骤a)中的伪随机序列
Figure DEST_PATH_IMAGE080
(
Figure 715943DEST_PATH_IMAGE016
)一致；
k).获取判决变量，计算各参考序列与预处理后的含水印信号的内积，得到
Figure 99651DEST_PATH_IMAGE004
个判决变量，记作
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，其中
Figure 230418DEST_PATH_IMAGE054
；
l).提取水印信息，根据判决变量的符号解调出嵌入的水印信息，恢复出的第
Figure 808423DEST_PATH_IMAGE062
个水印比特记作，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为取符号函数，
Figure 267217DEST_PATH_IMAGE054
。
3.根据权利要求2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤a)中生成的伪随机序列和步骤j)中生成的参考序列为m序列、Gold序列或混沌序列。
4.根据权利要求1或2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤b)中对伪随机序列进行预处理的方法为幅度压缩、滤波、基于感知模型的水印整形或者空操作；
在载体信号为音频信号的情况下，则步骤b)中的预处理方法采用心理声学模型对生成的伪随机序列进行整形，其通过以下步骤来实现：
b-1).转换为子带数据，利用分析子带滤波器将音频采样序列和伪随机序列
Figure 439890DEST_PATH_IMAGE006
(
Figure 185866DEST_PATH_IMAGE008
)进行分段，每段转换为频域的384个子带数据，分别记作和
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE092
；
b-2).计算信号掩蔽比，通过MPEG-1心理声学模型计算输入音频信号的32个子带的信号掩蔽比，单位为dB，并以相邻的12个值相同的形式将其插值为384个值，记为；
b-3).对子带数据进行整形，按照下面的公式对伪随机序列的子带数据进行整形：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
；
其中函数返回两个参数中的最小值；
b-4).转换至时域，利用合成子带滤波器将整形后的伪随机序列的子带数据
Figure DEST_PATH_IMAGE100
转换回时域，得到
Figure 508788DEST_PATH_IMAGE022
。
5.根据权利要求1或2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤c)所述的可逆的数学变换为离散傅里叶变换、离散余弦变换或离散小波变换，或者为计算特征值、奇异值或范数的载体特征提取或分解方法。
6.根据权利要求2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤d)与步骤i)所述的提取端预处理方法
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为放大、滤波、降噪或者空操作。
7.根据权利要求1或2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤e)中所述的
Figure 499878DEST_PATH_IMAGE056
的取值范围为：0.5≤
Figure 339658DEST_PATH_IMAGE056
≤0.8。
CN201310408462.2A 2013-09-10 2013-09-10 一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法 Active CN103455972B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310408462.2A CN103455972B (zh) 2013-09-10 2013-09-10 一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310408462.2A CN103455972B (zh) 2013-09-10 2013-09-10 一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103455972A true CN103455972A (zh) 2013-12-18
CN103455972B CN103455972B (zh) 2016-08-24

Family

ID=49738305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310408462.2A Active CN103455972B (zh) 2013-09-10 2013-09-10 一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103455972B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105185397A (zh) * 2014-06-17 2015-12-23 北京司响无限文化传媒有限公司 视频标记方法和装置
CN105244033A (zh) * 2014-07-09 2016-01-13 意法半导体亚太私人有限公司 用于数字水印的系统和方法
CN108768581A (zh) * 2018-05-30 2018-11-06 广州海格通信集团股份有限公司 信息的隐藏方法以及信息的获取方法
CN110663239A (zh) * 2017-03-14 2020-01-07 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 经认证的确认和激活消息
CN110958104A (zh) * 2019-11-15 2020-04-03 电子科技大学 一种基于16qam部分位置嵌入信号水印的通信方法
CN111415169A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 广州哨马智能装备科技有限公司 一种产品安全流转方法及系统
CN111491171A (zh) * 2019-01-28 2020-08-04 阿里巴巴集团控股有限公司 水印嵌入、水印提取、数据处理及视频帧检测方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1889176A (zh) * 2006-07-14 2007-01-03 中山大学 一种抗da/ad变换的音频水印处理方法
CN101101754A (zh) * 2007-06-25 2008-01-09 中山大学 一种基于傅立叶离散对数坐标变换的稳健音频水印方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1889176A (zh) * 2006-07-14 2007-01-03 中山大学 一种抗da/ad变换的音频水印处理方法
CN101101754A (zh) * 2007-06-25 2008-01-09 中山大学 一种基于傅立叶离散对数坐标变换的稳健音频水印方法

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105185397A (zh) * 2014-06-17 2015-12-23 北京司响无限文化传媒有限公司 视频标记方法和装置
CN105244033A (zh) * 2014-07-09 2016-01-13 意法半导体亚太私人有限公司 用于数字水印的系统和方法
CN105244033B (zh) * 2014-07-09 2019-07-16 意法半导体亚太私人有限公司 用于数字水印的系统和方法
CN110663239A (zh) * 2017-03-14 2020-01-07 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 经认证的确认和激活消息
CN110663239B (zh) * 2017-03-14 2023-05-30 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 经认证的确认和激活消息
CN108768581A (zh) * 2018-05-30 2018-11-06 广州海格通信集团股份有限公司 信息的隐藏方法以及信息的获取方法
CN111415169A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 广州哨马智能装备科技有限公司 一种产品安全流转方法及系统
CN111491171A (zh) * 2019-01-28 2020-08-04 阿里巴巴集团控股有限公司 水印嵌入、水印提取、数据处理及视频帧检测方法
CN111491171B (zh) * 2019-01-28 2022-07-29 阿里巴巴集团控股有限公司 水印嵌入、水印提取、数据处理及视频帧检测方法
CN110958104A (zh) * 2019-11-15 2020-04-03 电子科技大学 一种基于16qam部分位置嵌入信号水印的通信方法
CN110958104B (zh) * 2019-11-15 2021-11-02 电子科技大学 一种基于16qam部分位置嵌入信号水印的通信方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103455972B (zh) 2016-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103455972B (zh) 一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法
Xiang et al. A dual-channel time-spread echo method for audio watermarking
Chen et al. Wavelet-domain audio watermarking scheme using optimisation-based quantisation
Wang et al. A robust digital audio watermarking scheme using wavelet moment invariance
CN104270240A (zh) 多载波调制的信息隐藏通信方法及其装置
Budiman et al. QIM-based audio watermarking with combined techniques of SWT-DST-QR-CPT using SS-based synchronization
Baranwal et al. Comparative study of spread spectrum based audio watermarking techniques
Li et al. Robust audio watermarking scheme via QIM of correlation coefficients using LWT and QR decomposition
Elshazly et al. Synchronized double watermark audio watermarking scheme based on a transform domain for stereo signals
Liu et al. Adaptive audio steganography scheme based on wavelet packet energy
Wang et al. A new adaptive digital audio watermarking based on support vector machine
Aparna et al. Audio watermarking technique using modified discrete cosine transform
Wu et al. Robust and blind audio watermarking scheme based on genetic algorithm in dual transform domain
Baranwal et al. Peak detection based spread spectrum Audio Watermarking using discrete Wavelet Transform
Cui et al. The application of wavelet analysis and audio compression technology in digital audio watermarking
Mothi et al. A wavelet packet and fuzzy based digital image watermarking
He et al. Efficiently synchronized spread-spectrum audio watermarking with improved psychoacoustic model
Abdolrazzagh-Nezhad et al. A Generalized Spread Spectrum-Based Audio Watermarking Method with Adaptive Synchronization
Wang et al. A robust audio watermarking scheme using higher-order statistics in empirical mode decomposition domain
Hu et al. A perceptually adaptive and retrievable QIM scheme for efficient blind audio watermarking
Kakkirala et al. An audio/speech watermarking method for copyright protection
Nenghai et al. Practical analysis of watermarking capacity
Lan et al. A digital watermarking algorithm based on dual-tree complex wavelet transform
Wu et al. Adaptive and blind audio watermarking algorithm based on dither modulation and a butterfly optimization algorithm
Sharma et al. Survey on different level of audio watermarking techniques

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant