CN115064179A - 一种数字音频的零水印嵌入和检出方法 - Google Patents

一种数字音频的零水印嵌入和检出方法 Download PDF

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CN115064179A CN202210789410.3A CN202210789410A CN115064179A CN 115064179 A CN115064179 A CN 115064179A CN 202210789410 A CN202210789410 A CN 202210789410A CN 115064179 A CN115064179 A CN 115064179A
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Abstract

本发明提供一种数字音频的零水印嵌入和检出方法，解决目前的数字音频水印抗变调攻击性能一般的问题。该嵌入方法包括分帧处理、计算谱质心f0和1阶嵌套谱质心f1，后利用加密参数生成混沌比特序列，并利用所述混沌比特序列加密所述音频特征水印序列w(m)。本发明将一阶嵌套谱质心和谱质心之比作为音频特征，不需要改变原始音频的任何数据，仅根据加密参数和密匙KEY就可以判断确认版权信息。

Description

一种数字音频的零水印嵌入和检出方法
技术领域
本申请涉及数字音频频水印技术领域，具体涉及一种数字音频的零水印嵌入和检出方法。
背景技术
数字音频水印是基于数字音频内容生成或嵌入的一段标识，该标识可用于标识数字音频内容的版权归属，也可用于保护数字音频内容的完整性。当音频水印用于标识数字音频内容的版权归属时，在数字音频内容生成、管理、分发和使用的全生命周期中，音频水印被不可感知、不可剥离的方式添加在数字音频内容中，一旦发生版权纠纷时，只需从数字音频内容中提取出嵌入的水印信息，即可证明音頻数字内容的版权归属。类似于商品的商标是表明商品的生产厂家，音频水印的作用是表明数字音频内容的版权所有者，但这通常和所有者不是一个概念。而当音频水印用于保护数字音频内容的完整性时，一旦数字音频内容发生了篡改，某一部分发生了变化，其对应的音频水印信息也会发生变化，由此可以检测并定位篡改。
数字音频水印一直存在被攻击的可能。按攻击的目的可分为主动攻击和被动攻击。主动攻击的目的并不是破解数字水印，而是篡改或破坏水印，使合法用户也不能读取水印信息。而被动攻击则试图破解数字水印算法，被动攻击的难度大得多，但是一旦成功，则所有用该水印算法加密的数据都失去了安全性。主动攻击的方法比较简单，而且易于传播，是一种主要的攻击手段。按攻击的性质可分为普通的信号处理攻击、同步攻击和针对算法安全性的安全性攻击三类。
同步攻击是数字音频水印领域中最具挑战的一种攻击方式。音频水印中，水印一般是嵌入在音频信号的某些固定点上，水印检测时再从这些固定点上提取水印信号。而同步攻击目的就是破坏水印嵌入的同步点使得水印的嵌入点发生偏移从而在检测端无法提取出正确的水印。由于音频在时间轴上的连续性，任意位置的剪切插入样本等操作都会破坏同步结构。在同步攻击中，尤以PSM(Pitch Scale Modification，变调)攻击为主。PSM攻击是指在不改变音频播放速度的情况下改变说话人的音调，这种攻击方式不改变音频的整体播放时长，但音调变化同样会造成水印难以提取。
发明内容
本发明目的是解决目前的数字音频水印抗变调攻击性能一般的问题，提出一种数字音频的零水印嵌入和检出方法，该方法将一阶嵌套谱质心和谱质心之比作为音频特征，不需要改变原始音频的任何数据，仅根据加密参数和密匙KEY就可以判断确认版权信息。
本发明提供的一种数字音频的零水印嵌入方法采用如下的技术方案为：
一种数字音频的零水印嵌入方法，包括以下步骤：S101：分帧处理，将原始音频F＝{f(i)|i∈[1,la]}均匀的分为lw帧，其中la表示音频长度，f(i)是音频样本幅度，lw是水印长度，帧长lf＝floor(la/lw)；S102：对上述的lw帧分别计算其谱质心f0和1阶嵌套谱质心f1，计算所述1阶嵌套谱质心f1和谱质心f0之比：x(m)＝f1/f0，并将其按照下式做映射：
Figure BDA0003733234950000021
其中，lm表示映射长度，lm取值小于1；S103：把
Figure BDA0003733234950000022
代入下式生成音频特征水印序列w(m)：
Figure BDA0003733234950000023
其中round()表示取整函数；S104：利用加密参数生成混沌比特序列，并利用所述混沌比特序列和所述音频特征水印序列w(m)生成密钥KEYwc(m)。
进一步地，所述的步骤S104中利用加密参数生成混沌比特序列，具体如下：首先设置混沌序列hm，其中，hn+1＝uhn(1-hn)，hn∈(0,1)，3.699456≤u≤4，初始h0和u作为加密参数，然后将上述混沌序列hm利用Logistic映射生成数值序列{gi|i＝0,1,2,...,m-1}；将所述的数值序列转换为混沌比特序列Sm。
进一步地，所述的将上述的数值序列转换为混沌比特序列Sm具体为：所述转换的方式以0.5为界限，如果所述数值序列的实值小于等于0.5，则混沌比特序列中对应的值为0；如果所述数值序列的实值大于0.5，则混沌比特序列中对应的值为1。
进一步地，所述的步骤S104中利用所述混沌比特序列和所述音频特征水印序列w(m)生成密钥KEYwc(m)，具体如下：利用所述混沌比特序列Sm与音频特征水印序列w(m)作异或运算得到原始音频的密钥KEY wc(m)：
Figure BDA0003733234950000024
本发明提供的一种数字音频的零水印检出方法采用如下的技术方案为：
一种数字音频的零水印嵌入方法，包括以下步骤S201：分帧处理，将受到攻击后的音频FT＝{fT(i)|i∈[1,la]}均匀的分为lw帧。其中la表示音频长度，fT(i)是音频样本幅度，lw是水印长度，帧长lf＝floor(la/lw)；S202：对上述的lw帧分别计算其谱质心f0 T和1阶嵌套谱质心f1 T，计算所述1阶嵌套谱质心f1 T和谱质心f0 T之比：xT(m)＝f1 T/f0 T，并将其按照下式做映射：
Figure BDA0003733234950000031
其中，lm表示映射长度，lm取值小于1；S203：把
Figure BDA0003733234950000032
代入下式生成受到攻击后的音频特征水印序列wT(m)：
Figure BDA0003733234950000033
其中round()表示取整函数；利用加密参数计算得到混沌比特序列Sm；利用所述混沌比特序列Sm与所述音频特征水印序列wT(m)作异或运算得到重构的密钥
Figure BDA0003733234950000034
其中
Figure BDA0003733234950000035
表示异或运算；S204：把重构的密钥
Figure BDA0003733234950000036
和原始音频的密钥KEY wc(m)作异或运算，得到误码率，判别水印是否存在。
进一步地，所述误码率的值为小于等于20％。
进一步地，所述的利用加密参数计算得到混沌比特序列Sm具体为：首先设置混沌序列hm，hn+1＝uhn(1-hn)，其中hn∈(0,1)，3.699456≤u≤4，初始h0和u作为加密参数，然后将上述混沌序列hm利用Logistic映射生成数值序列{gi|i＝0,1,2,...,m-1}；将所述的数值序列转换为混沌比特序列Sm。
进一步地，所述的将上述的数值序列转换为混沌比特序列Sm具体为：所述转换的方式以0.5为界限，如果所述数值序列的实值小于等于0.5，则混沌比特序列中对应的值为0；如果所述数值序列的实值大于0.5，则混沌比特序列中对应的值为1。
附图说明
图1是本发明一种数字音频的零水印嵌入方法的流程图；
图2是本发明一种数字音频的零水印检出方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的数字音频的零水印嵌入和检出方法是零水印方法，即不需要改变原始音频的任数据，根据加密参数和密匙KEY来判断确认版权信息。
我们知道，原始音频信号经过变调攻击后，变调后信号的频谱会沿频率轴进行伸缩，假设伸缩因子为α，则谱质心变为：
Figure BDA0003733234950000041
模拟音频对应的数字部分可记为：
Figure BDA0003733234950000042
其中N为信号长度，P(k)为离散时域信号x(k)的短时傅里叶变化后对应频率的谱能量，f0为在信号整个频域上谱质心。可以发现，谱质心就是各频率点上频率与该点能量分布的乘积求和。
经过变调不变速攻击后，根据与模拟音频相似的推导过程，则谱质心变为
Figure BDA0003733234950000043
经过变调不变速攻击后，同理，1阶嵌套谱质心变为：
Figure BDA0003733234950000044
因此，攻击前的1阶嵌套谱质心和谱质心之比为：f1/f0。经过变调不变速攻击后的1阶嵌套谱质心和谱质心之比为：αf1/(αf0)＝f1/f0。
这就意味着攻击前后的1阶嵌套谱质心和谱质心之比是一个常量，不会被变调攻击所影响。这里把每帧的这个1阶嵌套谱质心和谱质心之比作为音频特征水印，与加密序列结合生成密钥，即是本发明的一种零水印方法的出发点。
参照图1，本发明实施例公开了一种数字音频的零水印嵌入方法的流程图，具体操作步骤如下。
S101：分帧处理，将原始音频F＝{f(i)|i∈[1,la]}均匀的分为lw帧，其中la表示音频长度，f(i)是音频样本幅度，lw是水印长度，帧长lf＝floor(la/lw)。
S102：对上述的lw帧分别计算其谱质心f0和1阶嵌套谱质心f1，计算所述1阶嵌套谱质心f1和谱质心f0之比：x(m)＝f1/f0，并将其按照下式做映射：
Figure BDA0003733234950000045
其中，lm表示映射长度，lm取值小于1。
S103：把
Figure BDA0003733234950000046
代入下式生成音频特征水印序列w(m)：
Figure BDA0003733234950000047
其中round()表示取整函数。
S104：利用加密参数生成混沌比特序列，并利用所述混沌比特序列和所述音频特征水印序列w(m)生成密钥KEYwc(m)。
在本实施例中，步骤S104中利用加密参数生成混沌比特序列，具体如下：首先设置混沌序列hm，其中，hn+1＝uhn(1-hn)，hn∈(0,1)，3.699456≤u≤4，初始h0和u作为加密参数，然后将上述混沌序列hm利用Logistic映射生成数值序列{gi|i＝0,1,2,...,m-1}；将所述的数值序列转换为混沌比特序列Sm。
在本实施例中，将上述的数值序列转换为混沌比特序列Sm具体为：转换的方式以0.5为界限，如果所述数值序列的实值小于等于0.5，则混沌比特序列中对应的值为0；如果所述数值序列的实值大于0.5，则混沌比特序列中对应的值为1。
在本实施例中，步骤S104中利用所述混沌比特序列Sm与音频特征水印序列w(m)作异或运算得到原始音频的密钥KEYwc(m)：
Figure BDA0003733234950000051
参照图2，本发明还提供一种数字音频的零水印检出方法，具体包括以下步骤：
S201：分帧处理，将受到攻击后的音频FT＝{fT(i)|i∈[1,la]}均匀的分为lw帧。其中la表示音频长度，fT(i)是音频样本幅度，lw是水印长度，帧长lf＝floor(la/lw)；
S202：对上述的lw帧分别计算其谱质心f0 T和1阶嵌套谱质心f1 T，计算所述1阶嵌套谱质心f1 T和谱质心f0 T之比：xT(m)＝f1 T/f0 T，并将其按照下式做映射：
Figure BDA0003733234950000052
其中，lm表示映射长度，lm取值小于1；
S203：把
Figure BDA0003733234950000053
代入下式生成受到攻击后的音频特征水印序列wT(m)：
Figure BDA0003733234950000054
其中round()表示取整函数；利用加密参数计算得到混沌比特序列Sm；利用所述混沌比特序列Sm与所述水印比特序列wT(m)作异或运算得到重构的密钥KEY；
Figure BDA0003733234950000055
其中
Figure BDA0003733234950000056
表示异或运算；
S204：把重构的密钥KEY和原始音频的密钥KEY作异或运算，得到误码率，判别水印是否存在。
在本实施例中，所述误码率的取值为小于等于20％。
在本实施例中，所述的利用加密参数计算得到混沌比特序列Sm具体为：首先设置混沌序列hm，hn+1＝uhn(1-hn)，其中hn∈(0,1)，3.699456≤u≤4，初始h0和u作为加密参数，然后将上述混沌序列hm利用Logistic映射生成数值序列{gi|i＝0,1,2,...,m-1}；将所述的数值序列转换为混沌比特序列Sm。
在本实施例中，所述的将上述的数值序列转换为混沌比特序列Sm具体为：所述转换的方式以0.5为界限，如果所述数值序列的实值小于等于0.5，则混沌比特序列中对应的值为0；如果所述数值序列的实值大于0.5，则混沌比特序列中对应的值为1。
下面是本发明的数字音频的零水印嵌入和检出方法是零水印方法的具体操作示例。
假设一个信号经过分解有四帧信号，每帧信号都包含10个单频频率，并且其每个频率处的大小都经过归一化处理，如下表所示。
频率(Hz) 300 630 720 950 1100 1300 1700 2000 2300 2900
第一帧 0.3 0.4 0.5 0.1 0.3 0.7 0.8 0.4 0.5 0.3
第二帧 0.4 0.6 0.7 0.3 0.1 0.5 0.6 0.9 0.3 0.8
第三帧 0.2 0.8 0.9 0.6 0.2 0.4 0.5 1 0.7 0.6
第四帧 0.5 0.5 0.3 0.4 0.7 0.8 0.2 0.7 0.1 0.6
这样各帧的谱质心分别为：
1445.8Hz，1514.8Hz,1478.3Hz，1371Hz
同理，计算得到1阶嵌套谱质心为：
885.7Hz，787.3Hz，813.5Hz，897.2Hz。
这样算得各帧的1阶嵌套谱质心和谱质心之比为：
0.61，0.52，0.55，0.65。
假设经过变调不变速攻击后(伸缩因子为α＝0.8)，则对应的频率变为：
频率(Hz) 240 504 576 760 880 1040 1360 1600 1840 2320
第一帧 0.3 0.4 0.5 0.1 0.3 0.7 0.8 0.4 0.5 0.3
第二帧 0.4 0.6 0.7 0.3 0.1 0.5 0.6 0.9 0.3 0.8
第三帧 0.2 0.8 0.9 0.6 0.2 0.4 0.5 1 0.7 0.6
第四帧 0.5 0.5 0.3 0.4 0.7 0.8 0.2 0.7 0.1 0.6
各帧的谱质心分别为：
1156.7Hz，1211.8Hz,1182.6Hz，1096.8Hz
计算得到1阶嵌套谱质心为：
708.5Hz，629.8Hz，650.8Hz，717.8Hz。
计算得到各帧的1阶嵌套谱质心和谱质心之比为：
0.61，0.52，0.55，0.65。
从这里就可以看到在受到攻击前后各帧的的1阶嵌套谱质心和谱质心之比保持不变。
假设经过变调不变速攻击后(伸缩因子为α＝1.1)，则对应的频率变为：
频率(Hz) 330 693 792 1045 1210 1430 1870 2200 2530 3190
第一帧 0.3 0.4 0.5 0.1 0.3 0.7 0.8 0.4 0.5 0.3
第二帧 0.4 0.6 0.7 0.3 0.1 0.5 0.6 0.9 0.3 0.8
第三帧 0.2 0.8 0.9 0.6 0.2 0.4 0.5 1 0.7 0.6
第四帧 0.5 0.5 0.3 0.4 0.7 0.8 0.2 0.7 0.1 0.6
这样各帧的谱质心分别为：
1590.4Hz，1666.3Hz,1626.1Hz，1508.1Hz
计算得到1阶嵌套谱质心为：
974.2Hz，866Hz，894.9Hz，986.9Hz。
计算得到各帧的1阶嵌套谱质心和谱质心之比为：
0.61，0.52，0.55，0.65。
从这里就可以看到在受到攻击前后各帧的的1阶嵌套谱质心和谱质心之比保持不变。
因此不论伸缩因子大于或者小于1，受到攻击前后各帧的的1阶嵌套谱质心和谱质心之比都能保持不变。
以下是数字音频的零水印嵌入操作步骤。
第一步：将原始音频均匀的分为4帧。
第二步：对每帧分别计算其谱质心和1阶嵌套谱质心，计算上述两项之比x(m)＝f1/f0，分别为0.61，0.52，0.55，0.65，并将其按照下式做映射：
Figure BDA0003733234950000071
其中lm取值0.05。这样
Figure BDA0003733234950000072
为12.25，10.39，11，13.09。
第三步：把
Figure BDA0003733234950000073
代入下式生成音频特征水印序列：
Figure BDA0003733234950000081
其中round()表示取整函数。这样w(m)为0011。
为提高算法的安全性，采用混沌比特序列加密生成的音频特征水印序列w(m)，具体如下：
混沌序列hm由Logistic映射生成。hn+1=uhn(1-hn)，其中hn∈(0,1)，3.699456≤u≤4，初始h0和u作为加密参数。利用Logistic映射生成数值序列{gi|i＝0,1,2,...,m-1}。将上述的实值混沌序列转换为混沌比特序列Sm，转换方式以0.5为界限，如果实值小于等于0.5，则混沌比特序列中为0；如果实值大于0.5，则混沌比特序列为1。用混沌比特序列与水印比特序列w(m)作异或运算得到密钥KEY。
取h0＝0.4，u＝4，这样Sm为0101。
Figure BDA0003733234950000082
其中
Figure BDA0003733234950000089
表示异或运算。
这样wc(m)为0110。
以下是数字音频的零水印检出操作步骤。
第一步：将受到攻击后的音频分为4帧。
第二步：对每帧分别计算其谱质心和1阶嵌套谱质心，计算上述两项之比xT(m)＝f1 T/f0 T，为0.61，0.52，0.55，0.65，并将其按照下式做映射：
Figure BDA0003733234950000083
其中lm取值0.05。这样
Figure BDA0003733234950000084
为12.25，10.39，11，13.09。
第三步：把
Figure BDA0003733234950000085
代入下式生成受到攻击后的音频特征水印序列：
Figure BDA0003733234950000086
其中round()表示取整函数。这样wT(m)为0011。
使用和嵌入方法相同的加密参数计算得到加密混沌比特序列Sm。取h0＝0.4，u＝4，这样Sm为0101。
用混沌比特序列与水印比特序列wT(m)作异或运算得到重构的密钥KEY。
Figure BDA0003733234950000087
这样
Figure BDA0003733234950000088
为0110。
第四步：把重构的密钥KEY和原始音频的密钥KEY作异或运算，得到其误码率，判别水印是否存在。误码率一般取小于等于20％的值。可根据实际需要的不同，设置可接受的误码率范围，这里设置误码率为5％。
Figure BDA0003733234950000091
这样算得BER为0，即判定受到攻击后的音频文件存在水印。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种数字音频的零水印嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：分帧处理，将原始音频F＝{f(i)|i∈[1,la]}均匀的分为lw帧，其中la表示音频长度，f(i)是音频样本幅度，lw是水印长度，帧长lf＝floor(la/lw)；
S102：对上述的lw帧分别计算其谱质心f0和1阶嵌套谱质心f1，计算所述1阶嵌套谱质心f1和谱质心f0之比：x(m)＝f1/f0，并将其按照下式做映射：
Figure FDA0003733234940000011
其中，lm表示映射长度，lm取值小于1；
S103：把
Figure FDA0003733234940000012
代入下式生成音频特征水印序列w(m)：
Figure FDA0003733234940000013
其中round()表示取整函数；
S104：利用加密参数生成混沌比特序列，并利用所述混沌比特序列和所述音频特征水印序列w(m)生成密钥KEYwc(m)。
2.根据权利要求1所述的数字音频的零水印嵌入方法，其特征在于，所述的步骤S104中利用加密参数生成混沌比特序列，具体如下：
首先设置混沌序列hm，其中，hn+1＝uhn(1-hn)，hn∈(0,1)，3.699456≤u≤4，初始h0和u作为加密参数，然后将上述混沌序列hm利用Logistic映射生成数值序列{gi|i＝0,1,2,...,m-1}；
将所述的数值序列转换为混沌比特序列Sm。
3.根据权利要求2所述的数字音频的零水印嵌入方法，其特征在于，所述的将上述的数值序列转换为混沌比特序列Sm具体为：
所述转换的方式以0.5为界限，如果所述数值序列的实值小于等于0.5，则混沌比特序列中对应的值为0；如果所述数值序列的实值大于0.5，则混沌比特序列中对应的值为1。
4.根据权利要求2所述的数字音频的零水印嵌入方法，其特征在于，所述的步骤S104中利用所述混沌比特序列和所述音频特征水印序列w(m)生成密钥KEYwc(m)，具体如下：
利用所述混沌比特序列Sm与音频特征水印序列w(m)作异或运算得到原始音频的密钥KEYwc(m)：
Figure FDA0003733234940000021
5.一种数字音频的零水印检出方法，其特征在于，包括以下步骤：
S201：分帧处理，将受到攻击后的音频FT＝{fT(i)|i∈[1,la]}均匀的分为lw帧。其中la表示音频长度，fT(i)是音频样本幅度，lw是水印长度，帧长lf＝floor(la/lw)；
S202：对上述的lw帧分别计算其谱质心f0 T和1阶嵌套谱质心f1 T，计算所述1阶嵌套谱质心f1 T和谱质心f0 T之比：
Figure FDA0003733234940000022
并将其按照下式做映射：
Figure FDA0003733234940000023
其中，lm表示映射长度，lm取值小于1；
S203：把
Figure FDA0003733234940000024
代入下式生成受到攻击后的音频特征水印序列wT(m)：
Figure FDA0003733234940000025
其中round()表示取整函数；
利用加密参数计算得到混沌比特序列Sm；
利用所述混沌比特序列Sm与所述音频特征水印序列wT(m)作异或运算得到重构的密钥
Figure FDA0003733234940000026
Figure FDA0003733234940000027
其中
Figure FDA0003733234940000028
表示异或运算；
S204：把重构的密钥
Figure FDA0003733234940000029
和原始音频的密钥KEYwc(m)作异或运算，得到误码率，判别水印是否存在。
6.根据权利要求5所述的数字音频的零水印检出方法，其特征在于，
所述误码率的值为小于等于20％。
7.根据权利要求5所述的数字音频的零水印检出方法，其特征在于，所述的利用加密参数计算得到混沌比特序列Sm具体为：
首先设置混沌序列hm，hn+1＝uhn(1-hn)，其中hn∈(0,1)，3.699456≤u≤4，初始h0和u作为加密参数，然后将上述混沌序列hm利用Logistic映射生成数值序列{gi|i＝0,1,2,...,m-1}；
将所述的数值序列转换为混沌比特序列Sm。
8.根据权利要求7所述的数字音频的零水印检出方法，其特征在于，所述的将上述的数值序列转换为混沌比特序列Sm具体为：
所述转换的方式以0.5为界限，如果所述数值序列的实值小于等于0.5，则混沌比特序列中对应的值为0；如果所述数值序列的实值大于0.5，则混沌比特序列中对应的值为1。
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