CN106898358B - 从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法，首先对选择音频段进行非重叠短时傅里叶变换，得到音频信号的时频分布图，在时频分布图的中低频率范围进行加窗分块，随机选择能量较小的特征能量块作为水印嵌入的具体位置；接着利用改进的扩展频谱水印嵌入方法将产生的二进制水印位通过扩展码嵌入到相应的特征能量块中；水印嵌入后，通过水印嵌入者传达的水印嵌入位置得出嵌有水印的特征能量块，利用加水印特征能量块矢量和扩频码内积的正负性恢复水印序列。本发明通过将水印嵌入时频域低频低能量处，保证了主信号的质量，且能使加水印信号经过再量化，加噪，幅度缩放，AAC编码压缩，低通滤波等攻击之后依然能很好恢复水印。

Description

从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法

技术邻域

本发明涉及数字水印技术领域，主要是一种在时频域寻找特征能量块进行水印嵌入和提取的设计发明，特别涉及从时频分析角度出发的鲁棒音频水印算法。

技术背景

随着现代通信和多媒体技术的迅猛发展，数字多媒体产品越来越受欢迎，人们可以方便快捷地获取各种数字化的图像，音频，视频，动画，软件和文本等，数字多媒体产品的广泛传播也不可避免地带来了不少安全问题，非法拷贝，版权破环，数字信息恶意篡改等。正因如此，一种可以有效保护数字多媒体产品的数字水印技术得到了研究者们的广泛关注，同时也得到了迅速的发展。数字音频水印技术主要通过在一段音频中嵌入适当的水印，以方便保护音频文件的版权，防止有意篡改。鲁棒音频水印技术具有在音频受到一系列攻击，例如：加高斯白噪声、再量化、幅度缩放、AAC压缩、MP3压缩、高低通滤波等，仍能有效提取水印以用于鉴别原始音频文件的功能。近年来，对鲁棒音频水印技术的研究和改进成为了学术界和工业界广泛关注和讨论的话题。水印技术按照水印嵌入域来分，主要可分为原始域水印算法和变换域水印算法。对音频水印技术而言，原始域即时域，时域水印算法是直接将水印嵌入在时间域的数字音频信号中，这种方法相对于变换域水印算法而言具有容易实现，需要较少计算资源的特点，已有的文献资料中存在有比较完善的时域水印算法，但是这样的算法普遍存在对文件的压缩和滤波不够鲁棒的缺点。变换域主要分为频域和时频域，现有大量的音频水印算法都是在频域中实现，已有的算法显示，在频域嵌入水印时，没有考虑信号的时域特征，很难权衡主信号的不可感知性和水印的鲁棒性的关系。目前为止，很少有文献提出完整的时频域水印算法，其实由于音频信号的时变特性，通过时频分析同时考虑信号的时域和频域特征可以得到更多的信息，在时频域嵌入水印也可以很好地解决不可感知性和鲁棒性的权衡问题。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种能够有效权衡主信号的质量和水印的鲁棒性的时频域音频水印算法。

一种从时频分析角度出发结合低能量特征块选取的数字音频水印算法，通过短时傅立叶变换在时频域选择低能量处嵌入水印实现水印对一般攻击的鲁棒性，包括以下步骤；

步骤1，水印嵌入位置的确定；

步骤2，水印的产生，嵌入；

步骤3，水印的检测和提取；

所述步骤1和步骤2中，确定水印嵌入位置并进行水印嵌入的步骤如下：

第一步：将音频信号分帧，每一帧进行希尔伯特变换消除信号对称性；

第二步：对信号进行非重叠短时傅立叶变换得到时频分布图；

第三步：在时频分布图中挑选中低频段进行加窗分块，计算每一小块的平均能量，按平均能量从小到大的顺序排序，在能量处于排序前50％的前半段中随机选出P块作为水印嵌入的具体位置，保存位置下标索引；

第四步：将产生的随机的二进制信息经过扩频码扩频，利用现有的改进扩频通信技术进行水印嵌入，即利用扩展码对水印信息进行扩频再进行水印嵌入，在嵌入时通过引入调节常数α调整水印嵌入强度，以权衡音频信号的质量和嵌入水印的鲁棒性，水印嵌入完成之后，将嵌有水印的时频图段代替主信号原来部分，并进行非重叠短时傅立叶逆变换得到嵌有水印的音频信号；

所述步骤3中水印提取检测的步骤如下：

第一步：对加水印音频信号进行非重叠短时傅立叶变换，得到加水印信号的时频分布图；

第二步：根据嵌入方提供的特征能量块下标索引找到水印嵌入位置，通过判断扩展码与嵌有水印信号特征能量块矢量的内积的正负性提取二进制水印，若内积符号为正，则恢复水印信息为1，若内积符号为负，则恢复水印信息为0。

所述步骤1中，水印嵌入位置的确定，具体包括以下步骤；

步骤1.1，对选取的音频段x进行非重叠分帧处理，得到每帧包含M₀个样本的x_i，对每一帧进行希尔伯特变换，以消除频谱在2π范围内的对称性，由于希尔伯特变换后的信号与原信号除了相位有所改变，其他的特性都不变，希尔伯特变换后的输出值仍记为x_i；

步骤1.2，对得到的音频信号进行非重叠短时傅立叶变换，得到信号的时频表达式Y；这一过程通过对信号每一帧x_i做快速傅立叶变换实现；

步骤1.3，在信号的时频域中选择一段中低频率区域作为可行的水印嵌入大范围，频率介于f₁＝60Hz和f₂＝2800Hz之间；

步骤1.4，对选定的水印嵌入大范围进行加窗操作，用窗宽为W的矩形窗将选定的时频区域分成多个正方形小块；

步骤1.5，根据正方形小块的平均能量大小随机选择能量较小的P小块作为水印嵌入的具体位置，这些嵌入位置也叫特征能量块，记录特征能量块在时频图中的具体下标索引并保存，以便发送给合法水印提取者。

所述步骤1.5中选择P个特征能量块的过程为，首先对选定时频区域的所有正方形小块求平均能量，根据能量从小到大的顺序对正方形块进行排序，在队列的前50％能量块中随机选出P块作为水印嵌入的特征块。

所述步骤2中，水印的产生，嵌入，具体包括以下步骤；

步骤2.1，产生P位二进制随机水印w∈{0,1}；

步骤2.2，将选定的每一个特征能量块进行矢量化，得到特征矢量

i∈{0,1,...,P-1},产生一个伪随机序列

作为扩展码；

步骤2.3，利用改进的扩频通信技术进行水印的嵌入：通过扩展码p将水印信息进行扩频嵌入，按照特征能量块在水印嵌入大范围的位置从上至下，从左至右，每一个特征矢量中嵌入一位水印；当水印取1时，嵌入+p，当水印取0时，嵌入-p，通过引入

来消除主信号干扰；

步骤2.4，水印嵌入后，通过调节参数α来控制水印嵌入强度，取值为0＜α＜1，给定初始值α＝0.1，根据嵌入水印的不可感知性和鲁棒性性能，按步长±0.01逐步调整α取值，直到水印的不可感知性和鲁棒性得以权衡。所述步骤3中，水印的检测和提取，具体包括以下步骤；

步骤3.1，水印提取的前几个步骤和水印嵌入相同，将加有水印的音频信号x_w经过和步骤1.1，步骤1.2，和步骤1.4的操作后，得到分成多个小块的时频区域；

步骤3.2，根据水印嵌入方提供的水印嵌入位置的下标索引直接找到P块嵌有水印的特征块，对每一小块进行矢量化，按列从上至下排列，通过判断加水印矢量与扩频码的内积关系恢复水印，得到恢复的水印序列

本发明的水印检测方法为盲检测方法，即无需知道原始音频数据便可通过盲检测得到水印，这样的检测方式更具有优势。

本发明通过在时频域中寻找低能量特征能量块的方法进行水印的嵌入和提取具有以下优点：

(1)本发明从时频域角度出发研究音频信号，充分考虑音频信号的时变特性，在时频域中寻找若干小块的水印嵌入区域，对音频信号时间段的其他部分不造成影响，使水印嵌入的不可感知性增强；

(2)本发明选择在时频域中低频段的低能量处嵌入水印，提高了水印的鲁棒性，且在低能量部分随机选择嵌入能量块的方法能有效防止恶意攻击篡改；

(3)本发明采用改进的扩频通信技术(ISS)进行水印嵌入和提取，有效避免了主信号干扰；

附图说明

图1为本发明数字音频水印嵌入流程图；

图2为水印嵌入强度调节机制图；

图3为音频信号样本1特征能量块选取过程图；

图4为音频信号样本1加水印前后波形图的对比图；

图5为不加攻击时图像水印提取图与原图的对比图；

图6为不同攻击下本发明方案和传统DCT域水印方案图像水印提取图的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细地说明本发明技术方案的实施步骤和效果。

本发明所提供的一种在时频域中实现鲁棒数字音频水印嵌入和提取的方法主要可分为三部分：水印嵌入位置的确定；水印的产生和嵌入；水印的检测和提取，具体流程如图1所示。

首先，步骤1，水印嵌入位置的确定；

步骤1.1，对选取的包含N个样本的音频段x进行非重叠分帧处理，得到每帧包含M₀个样本的x_i，对每一帧进行希尔伯特变换，以消除频谱在2π范围内的对称性，由于希尔伯特变换后的信号与原信号除了相位有所改变，其他的特性都不变，希尔伯特变换后的输出值仍记为x_i；

步骤1.2，对得到的音频信号进行非重叠短时傅立叶变换，得到信号的时频表达式Y；这一过程通过对信号每一帧x_i做快速傅立叶变换实现，快速傅立叶变换矩阵用H表示；

y_i＝Hx_i,

步骤1.3，在信号的时频域中选择一段中低频率区域作为可行的水印嵌入大范围，频率介于f₁＝60Hz和f₂＝2800Hz之间；

步骤1.4，对选定的水印嵌入大范围进行加窗操作，用W×W的窗将选定的时频区域分成若干正方形小块，定义每一小块为P_j，计算每一小块的平均能量E_j，m₁,m₂表示每一小块内单个元素的横纵坐标位置；

步骤1.5，根据能量从小到大的顺序对正方形块进行排序，在队列的前50％能量块中随机选出P块作为水印嵌入的具体位置，这些嵌入位置也叫特征能量块，记录特征能量块在时频图中的具体下标索引并保存，以便发送给可靠的水印提取者；

步骤2，水印的产生，嵌入；

步骤2.1，产生P位二进制随机水印w∈{0,1}；

步骤2.2，将选定的每一个特征能量块进行矢量化，得到特征矢量

i∈{0,1,...,P-1},产生一个伪随机序列

作为扩展码；

步骤2.3，利用改进的扩频通信技术进行水印的嵌入，按照特征能量块在水印嵌入大范围的位置从上至下，从左至右，每一个特征矢量中嵌入一位水印；当水印取1时，嵌入+p，当水印取0时，嵌入-p，改进的扩展频谱通信技术(ISS)通过引入

来消除主信号干扰，此时I取1，当I取0时为扩展频谱通信技术(SS)；

f_w,i＝f_i+(αw(i)-IΦ)p

步骤2.4，通过参数0＜α＜1来控制水印嵌入强度，调节机制如图2所示，给定初始值α＝0.1，根据嵌入水印的不可感知性和鲁棒性性能，按步长±0.01逐步调整α取值，直到水印的不可感知性和鲁棒性得以权衡；

步骤3，水印的检测和提取；

步骤3.1，一段嵌有水印的音频信号经过一定的攻击，例如：加噪，幅度缩放，AAC编码，滤波，MP3压缩，水印依然要能够很好的存在且能提取出来，水印提取的步骤的前几个步骤和水印嵌入相同，将加有水印的音频信号x_w经过和步骤1.1，步骤1.2，和步骤1.4的操作后，得到分成若干小块的时频区域；

步骤3.2，根据水印嵌入方提供的水印嵌入位置的下标索引直接找到P块嵌有水印的特征块，对每一小块进行矢量化，按列从上至下排列，通过判断加水印特征块矢量与扩频码的内积关系恢复水印，得到恢复的水印序列

其中

表示取实部。

数字水印技术方案优劣的评价指标：一个好的数字音频水印发明方法，需要能够较好地权衡音频信号对水印嵌入的不可感知性和嵌入水印的鲁棒性。

不可感知性：是指数字音频信号加入水印后质量仍较好，人耳对音频加水印前后基本不可感知，通常可用客观差异等级(ODG)来衡量，客观差异等级分为5个等级：{-4，-3，-2，-1，0}，当ODG值为-4时表示主信号受到很大的干扰，十分嘈杂，当ODG值为0时表示加入的水印对主信号基本无影响，具有很好的不可感知性，一般ODG的值在-1到0之间时，表示此音频加水印后有较好的不可感知性，符合标准。另一种不可感知性的衡量标准是将嵌入的水印视为加噪，用文档水印比(DWR)来衡量，当DWR大于30dB时表示不可感知性较好。

鲁棒性：是指水印信息嵌入至音频之后，随着音频的一些变化，受到一些攻击之后，水印是否还能很好地检测提取的能力，通常的衡量标准是水印的检测率(DR)，即经过攻击后检测出的水印的正确位数与嵌入水印总数之比。

本发明的效果可通过以下仿真说明：

为了检测本发明方案的鲁棒性，仿真实验对本发明测试的加水印音频信号进行了一系列常规攻击，例如：加高斯白噪声，再量化，幅度缩放，AAC压缩低通滤波等。

加高斯白噪声：在加水印的音频信号中加入高斯白噪声，使得音频信噪比为30dB；

再量化：将音频信号从原来的16比特量化为8比特；

幅度缩放：数字音频的幅度值被放大到120％和180％；

AAC压缩：通过AAC压缩将比特率变为96kbps和160kbps；

低通滤波：采用截止频率为4kHz的低通滤波；

仿真实验1：选取四种不同类型的10s音频信号通过本发明方法在时频域频率介于60Hz到2800Hz的频率段内选取16块尺度为32×32的低能量特征块，图3表示了音频信号样本1选取低能量特征块的过程，利用扩频码伪随机序列

将16位二进制水印一一嵌入至16块特征能量块中，用嵌有水印的特征能量块代替原有能量块，通过短时傅立叶逆变换得到加水印信号，如图4所示的音频信号样本1原波形与加水印后的波形对比可看出加水印后波形几乎无变化，对加水印音频信号每次实施一种以上攻击，每一种攻击后进行水印检测提取，计算水印检测率，同时测试音频信号加水印后的不可感知性。选取的四种音频样本分别进行以上操作，经过多次实验，得到的每种加水印音频信号的ODG值和DWR值如表1所示，与传统的通过离散余弦变换(DCT)在频域上嵌入水印的效果对比，可证明本发明具有更好的不可感知性。表2为四种音频信号样本经过不同类型攻击后的水印检测率，可证明本发明方案对于抵抗常规攻击具有很强的鲁棒性。

仿真实验2：选取一段4分钟的音频信号作为主信号，将32×32位的二值图像作为水印信息，利用本发明的音频水印嵌入方案在音频信号中低频部分的时频域中寻找32×32个特征能量块，利用扩频通信技术将图片信息嵌入主音频信号中，选择三幅具有不同信息量的二值图像分别进行实验，图5表示图像水印原始图像与嵌入后在无攻击条件下提取得到的图像的对比，可知在不加攻击情况下图像水印信息几乎无任何损坏。对嵌有图像水印的音频信号施加常规攻击，再提取出图像水印，效果如图6所示，本发明所提供的时频域水印嵌入方案(STFT-ISS)相比于传统频域水印嵌入方案(DCT-ISS)有更好的效果，依然能够保留图片水印大部分信息，有好的辨识度。

通过以上两种仿真实验，本发明的效果得以证实。本文中所描述的具体实施例仅仅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通过对所描述的具体实施例中数据指标进行修改或用类似方法替代，例如修改选择嵌入的频率范围、用其他方式实现时频变换得到音频信号的时频表达式，这样的修改替代并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

表1加水印音频信号的不可感知性

表2本发明方案嵌入水印的检测率(％)

Claims (2)

1.一种从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法，其特征是：通过短时傅立叶变换在时频域选择低能量处嵌入水印实现水印对一般攻击的鲁棒性，包括以下步骤；

步骤1，水印嵌入位置的确定；

步骤2，水印的产生，嵌入；

步骤3，水印的检测和提取；

所述步骤1和步骤2中，确定水印嵌入位置并进行水印嵌入的步骤如下：

第一步：将音频信号分帧，每一帧进行希尔伯特变换消除信号对称性；

第二步：对信号进行非重叠短时傅立叶变换得到时频分布图；

第三步：在时频分布图中挑选中低频段进行加窗分块，计算每一小块的平均能量，按平均能量从小到大的顺序排序，在能量处于排序前50％的前半段中随机选出P块作为水印嵌入的具体位置，保存位置下标索引；

第四步：将产生的随机的二进制信息经过扩频码扩频，利用现有的改进扩频通信技术进行水印嵌入，即利用扩展码对水印信息进行扩频再进行水印嵌入，在嵌入时通过引入调节常数α调整水印嵌入强度，以权衡音频信号的质量和嵌入水印的鲁棒性，水印嵌入完成之后，将嵌有水印的时频图段代替主信号原来部分，并进行非重叠短时傅立叶逆变换得到嵌有水印的音频信号；

所述步骤3中水印提取检测的步骤如下：

第一步：对加水印音频信号进行非重叠短时傅立叶变换，得到加水印信号的时频分布图；

第二步：根据嵌入方提供的特征能量块下标索引找到水印嵌入位置，通过判断扩展码与嵌有水印信号特征能量块矢量的内积的正负性提取二进制水印，若内积符号为正，则恢复水印信息为1，若内积符号为负，则恢复水印信息为0；

所述步骤1中，水印嵌入位置的确定，具体包括以下步骤；

步骤1.1，对选取的音频段x进行非重叠分帧处理，得到每帧包含M₀个样本的x_i，对每一帧进行希尔伯特变换，以消除频谱在2π范围内的对称性，由于希尔伯特变换后的信号与原信号除了相位有所改变，其他的特性都不变，希尔伯特变换后的输出值仍记为x_i；

步骤1.2，对得到的音频信号进行非重叠短时傅立叶变换，得到信号的时频表达式Y；这一过程通过对信号每一帧x_i做快速傅立叶变换实现；

步骤1.3，在信号的时频域中选择一段中低频率区域作为可行的水印嵌入大范围，频率介于f₁＝60Hz和f₂＝2800Hz之间；

步骤1.4，对选定的水印嵌入大范围进行加窗操作，用窗宽为W的矩形窗将选定的时频区域分成多个正方形小块；

步骤1.5，根据正方形小块的平均能量大小随机选择能量较小的P小块作为水印嵌入的具体位置，这些嵌入位置也叫特征能量块，记录特征能量块在时频图中的具体下标索引并保存，以便发送给合法的水印提取方；

所述步骤2中，水印的产生，嵌入，具体包括以下步骤；

步骤2.1，产生P位二进制随机水印w∈{0,1}；

步骤2.2，将选定的每一个特征能量块进行矢量化，得到特征矢量

产生一个伪随机序列

作为扩展码；

步骤2.3，利用现有的改进扩频通信技术进行水印的嵌入：通过扩展码p对水印信息进行扩频，按照特征能量块在水印嵌入大范围的位置从上至下，从左至右，每一个特征矢量中嵌入一位水印；当水印取1时，嵌入+p，当水印取0时，嵌入-p，通过引入来消除主信号干扰；

步骤2.4，水印嵌入后，通过调节常数α来控制水印嵌入强度，取值为0＜α＜1，给定初始值α＝0.1，根据嵌入水印的不可感知性和鲁棒性性能，按步长±0.01逐步调整α取值，直到水印的不可感知性和鲁棒性得以权衡。

2.根据权利要求1所述的一种从时频分析角度出发的鲁棒数字音频水印算法，其特征是：所述步骤3中，水印的检测和提取，具体包括以下步骤；

步骤3.1，水印提取的前几个步骤和水印嵌入相同，将加有水印的音频信号x_w经过和步骤1.1，步骤1.2，和步骤1.4的操作后，得到分成多个小块的时频区域；

步骤3.2，根据水印嵌入方提供的水印嵌入位置的下标索引直接找到P块嵌有水印的特征块，对每一小块进行矢量化，按列从上至下排列，通过判断加水印矢量与扩频码的内积关系恢复水印，得到恢复的水印序列

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