CN1870132A - 基于低密度奇偶校验码的数字音频水印方法 - Google Patents

Abstract

基于低密度奇偶校验码的数字音频水印方法涉及一种用于数字媒体版权保护与认证的数字音频水印方案，该方法是将低密度奇偶校验码这种新型通信信道编码技术引入信息隐藏技术中，与随机水印嵌入技术相互结合，产生具有良好地防止信道干扰性能的数字水印；该方法由水印的低密度奇偶校验码和数字调制、随机扩频序列嵌入种子产生、自适应去直流统计均值调制水印嵌入、水印盲提取步骤组成，即：嵌入的水印是通过口令“k”作随机种子，产生一个与水印序列等长的扩频序列b(k)；生成一个列重为3的奇偶校验矩阵，把输入序列经过低密度奇偶校验码，得到码字是“0，1”的新的受保护水印码序列。

Description

基于低密度奇偶校验码的数字音频水印方法

技术领域

本发明涉及一种用于数字媒体版权保护与认证的数字音频水印方案，属于信息隐藏技术及语音信号处理技术领域。

技术背景

数字水印技术作为版权保护的重要手段，如今已得到广泛的研究和应用，但多数是针对视频或图象数据的。虽然针对音频信号，也提出了诸如最不重要位方法、扩频编码方法、相位编码方法、回声隐藏技术等几种典型的水印嵌入算法，但由于人类听觉系统对不同频段声音的敏感程度具有很大的动态范围，以及可供水印嵌入的音频信号的带宽比视频或图象信号窄得多等原因，使得上述这些方法并不总能恰当地解决听觉透明性问题。同时，面对遍及因特网的功能强大的音频处理软件以及水印攻击工具，这些算法在鲁棒性方面都存在着不同程度的缺陷，目前还没有一种音频数字水印技术能完全满足安全性的要求。另一方面，MP3等大量音频数据正纷纷以网络电子版形式发表，其版权保护已成为迫切需要解决的问题。在此情况下，研究创新的具有透明性、安全性和鲁棒性的音频数字水印算法，具有极大的商用价值。研究成果可用于版权保护、数据附加、防止篡改及无线传输的自动监听等场合。

纠错编码技术作为改善数字信道通信可靠性的一种有效手段，在数字通信的各个领域中获得极为广泛的应用，在这一领域，Turbo码和LDPC(低密度奇偶校验)码是近年的研究热点，尤其是LDPC码。研究纠错编码技术与音频水印技术的结合方案，可以有效提高嵌入水印的鲁棒性。

发明内容

技术问题：本发明提出一种较好地协调鲁棒性和透明性之间矛盾的基于低密度奇偶校验码(LDPC)的数字音频水印方法，利用LDPC码提高嵌入水印的鲁棒性，同时利用人耳听觉系统(HAS)特性提高嵌入水印透明性，更好的实现数字媒体的版权保护等功能。

技术方案：本发明涉及基于LDPC(低密度奇偶校验)和直流载波去除(DCcarrier removal)相结合的水印嵌入方法，充分利用了LDPC(低密度奇偶校验)的纠错能力以及人耳听觉系统(HAS)的特性，进一步提高了嵌入水印的鲁棒性和透明性；方案具有较强的实用性。

本发明的基于低密度奇偶校验码的数字音频水印方法，是将低密度奇偶校验码这种新型通信信道编码技术引入信息隐藏技术中，与随机水印嵌入技术相互结合，产生具有良好地防止信道干扰性能的数字水印；该方法由水印的低密度奇偶校验码和数字调制、随机扩频序列嵌入种子产生、自适应去直流统计均值调制水印嵌入、水印盲提取步骤组成，即：嵌入的水印是通过口令”k”作随机种子，产生一个与水印序列等长的扩频序列b(k)；生成一个列重为3的奇偶校验矩阵，把输入序列经过低密度奇偶校验码，得到码字是“0，1”的新的受保护水印码序列；嵌入时，水印的幅度与功率成正比，对编码后的序列进行幅度为1的BPSK(二进制数字相位调制)调制得到待嵌入的水印序列c(幅度取值±1的双边带信号)；随后分析各帧信号的DC直流分量和谱功率，由于语音信号时域幅度样值具有零均值特性，去直流后利用统计均值调制在时域进行水印的嵌入，嵌入深度由各帧信号的谱功率自适应控制，保证嵌入水印的透明性；提取过程可以实现盲检测，根据水印嵌入原理，分析携密语音各帧的统计均值，由判决门限可提取出各帧嵌入的水印比特序列，再通过BPSK(二进制数字相位调制)解调成单边带信号，低密度奇偶校验码解码后得到原始水印比特序列。

确保水印鲁棒性的低密度奇偶校验码的采用、确保水印安全性的随机扩频序列嵌入种子产生、自适应去直流统计均值调制水印嵌入方法、水印盲提取技术等。该方法的工作步骤如下：

1.)水印嵌入：

a.首先将数字水印进行LDPC(低密度奇偶校验)编码，然后BPSK(二进数字相移键控)调制成待传输数字信号

b.将明文进行分帧，帧长23.2毫秒，然后根据公式：

$f\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n\left(i\right)n=1\·\·\·M$

$P_{\mathrm{frame}}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^2\left(i\right)n=1\·\·\·M$

计算各帧直流分量和谱功率；其中，x_n(i)是第n帧语音中的第i个样点，N是一帧语音含的样点数，M是语音总的分帧数，f(n)是第n帧直流分量，p_frame(n)是第n帧谱功率。

c.根据公式：

x_n(i)＝x_n(i)-f(n)            n＝1…M，i＝1…N

去除各帧直流分量；其中，x_n(i)是去除直流分量后第n帧语音中的第i个样点，其余变量定义同上。

d.根据公式：

$y_n\left(i\right)=\stackrel{\‾}{x_n}\left(i\right)+k\×c\left(n\right)\×P_{\mathrm{frame}}\left(n\right)n=1\·\·\·M,i=1\·\·\·N$

将LDPC(低密度奇偶校验)编码后的水印逐帧嵌入；其中，y_n(i)是嵌入水印后第n帧语音中的第i个样点，k为尺度参数，确保水印嵌入在低于入耳听觉极限的部分，c(n)是双边带(±1)水印信号，其余变量定义同上。

2.)接收端水印提取步骤：

e.将接收信号同样进行分帧

f.根据公式：

$f^{\′}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n\left(i\right)n=1\·\·\·M$

计算各帧直流分量；其中，y_n(i)是接收到的嵌入水印后第n帧语音中的第i个样点，与发送方相同，N是一帧语音含的样点数，M是语音总的分帧数，而f′(n)是接收方计算出来的第n帧语音直流分量。

并根据：

$\left\{\begin{array}{cc}{c}^{\&prime;}\left(n\right)=1,& f^{\&prime;}\left(n\right)>0\\ c^{\&prime;}\left(n\right)=-1,& f^{\&prime;}\left(n\right)<0\end{array}\right.n=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M$

提取出嵌入的LDPC(低密度奇偶校验)编码水印信号序列c′(n)。

g.根据LDPC(低密度奇偶校验)解码原理，解出最终的水印序列。

有益效果：本方案通过引入LDPC(低密度奇偶校验)纠错编码提高水印的鲁棒性，对常规信号处理方案以及水印攻击有很强的抗干扰性能。同时根据谱功率自适应控制水印嵌入深度，提高了水印的透明性。表1给出了方案的鲁棒性性能分析，列出了对嵌入水印进行高斯白噪声攻击后的水印提取误码率，表中σ表示加入高斯白噪声的方差。分析可知对水印序列预先进行LDPC(低密度奇偶校验)纠错编码提高了系统的鲁棒性，但降低了一定的水印嵌入效率。图3给出嵌入水印前后音频数据的时域波形，可知嵌入前后波形几乎没有变化，嵌入方案有很好的透明性。

表1系统高斯白噪声攻击下水印提取误码率

	LDPC纠错	不采用LDPC纠错
			σ＝0.0001	0.02734	0.03125
σ＝0.001	0.08594	0.09375

具体体现在以下几个方面：

1.本发明将纠错编码技术(低密度奇偶校验)与音频数字水印技术相结合，对水印序列进行预编码以抵抗针对数字水印的各种常规信号处理及水印攻击，大大提高了方案的鲁棒性，具有很高的实用价值。

2.水印嵌入方案充分利用人耳听觉特性(HAS)，根据各帧音频信号的能量自适应的调节嵌入深度，有效的提高了嵌入水印的透明性。方案简单，易于实现。

现有数字水印方案很难兼顾透明性与鲁棒性，本方案结合纠错编码技术与人耳听觉特性，较好地协调了两方面矛盾。

附图说明

图1是本发明水印嵌入过程示意图。

图2是本发明水印提取过程示意图。

图3是本发明水印嵌入前后音频信号波形示意图。其中图3(a)是原始数字音频信号示意图；图3(b)是嵌入水印后的数字音频信号示意图。

具体实施方式

嵌入的水印是通过口令”k”作随机种子，产生一个与水印序列等长的扩频序列b(k)。为保证嵌入的水印能够抵抗传输过程中噪声、重采样等一系列信号处理方法的攻击，提高算法的纠错能力，从而提高水印的鲁棒性，首先产生一个列重为3的奇偶校验矩阵，把输入序列经过低密度奇偶校验(LDPC)编码，得到码字是0，1的码序列，由于本方案中嵌入水印的幅度与功率成正比，对编码后的序列进行幅度为1的BPSK(二进数字相移键控)调制得到待嵌入的水印序列c(双边带信号±1)。随后分析各帧信号的DC直流分量和谱功率，由于语音信号时域幅度样值具有零均值特性，去直流后利用统计均值调制(statisticalmeans modulation，SMM)在时域进行水印的嵌入。嵌入深度由各帧信号的谱功率自适应控制，保证嵌入水印的透明性。嵌入过程框图如图1所示。

本方案的提取过程可以实现盲检测。根据水印嵌入原理，分析携密语音各帧的统计均值，由判决门限可提取出各帧嵌入的水印比特序列，再通过BPSK(二进数字相移键控)解调成单边带信号，LDPC(低密度奇偶校验)解码后得到原始水印比特序列。

A.水印嵌入过程

将经过预处理(LDPC低密度奇偶校验编码，BPSK二进数字相移键控调制)的数字水印嵌入到音频信号中的过程可分为4个主要的部分(图1)。设音频信号为x，具体嵌入步骤如下：

(1)音频信号的分帧：帧长23.2ms(N＝11.025*23.2＝256samples)，帧数为M，选择较长的帧长是为保证嵌入水印的透明性。本方案的水印传输的比特率为1/0.0232＝43.1bits/s。

(2)时域分析：求出每一帧中所有音频数据的统计均值即每一帧的直流分量以及每一帧的谱功率。

直流分量： $f\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_n\left(i\right)n=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M---\left(1\right)$

谱功率： $P_{\mathrm{frame}}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x_n}^2\left(i\right)n=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M---\left(2\right)$

其中，x_n(i)是第n帧语音中的第i个样点，N是一帧语音含的样点数，M是语音总的分帧数，f(n)是第n帧直流分量，p_frame(n)是第n帧谱功率。

(3)去除各帧的直流分量.

x_n(i)＝x_n(i)-f(n)                  n＝1…M，i＝1…N            (3)

去除各帧直流分量；其中，x_n(i)是去除直流分量后第n帧语音中的第i个样点，其余变量定义同上。

(4)根据计算的谱功率自适应的控制水印嵌入。每一帧嵌入深度不同，正比于本帧信号强度(即功率)，强信号可以嵌入幅度大的水印分量，弱信号嵌入幅度小的水印分量。这样嵌入的优点是保证即使音频信号幅度由于直流的变化产生跳变也不被感知，提高嵌入方案的透明性。水印的幅度根据以下公式嵌入音频数据中：

$y_n\left(i\right)=\stackrel{\&OverBar;}{x_n}\left(i\right)+k\&times;c\left(n\right)\&times;P_{\mathrm{frame}}\left(n\right)n=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M,i=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;N---\left(4\right)$

式中y_n(i)是嵌入水印后第n帧语音中的第i个样点，k为尺度参数，确保水印嵌入在低于人耳听觉极限的部分，c(n)是双边带(±1)水印信号，其余变量定义同上。至此得到含水印的音频信号。

B.水印提取过程

提取数字水印的过程在计算上的要求相对较低一些，且与嵌入过程类似。具体步骤如下：

(1).分帧将含水印的音频信号分帧，帧长23.2ms(N＝11.025*23.2＝256samples)，帧数为M，以43.1bits/s的速率提取水印。

(2).时域分析：计算每帧音频信号的均值

$f^{\&prime;}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_n\left(i\right)n=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M---\left(5\right)$

其中，y_n(i)是接收到的嵌入水印后第n帧语音中的第i个样点，与发送方相同，N是一帧语音含的样点数，M是语音总的分帧数，而f′(n)是接收方计算出来的第n帧语音直流分量。

(3).根据下面的公式：

$\left\{\begin{array}{cc}{c}^{\&prime;}\left(n\right)=1,& f^{\&prime;}\left(n\right)>0\\ c^{\&prime;}\left(n\right)=-1,& f^{\&prime;}\left(n\right)<0\end{array}\right.n=1\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;M---\left(6\right)$

提取出嵌入的LDPC(低密度奇偶校验)编码水印信号序列c′(n)。若每一帧有足够的能量使水印加在听觉极限下面，得到的接收方水印序列c′(n)应与发送方预处理之前的二进制水印序列c(n)一致。

(4).经过BPSK(二进数字相移键控)解调和LDPC(低密度奇偶校验)解码后最终获得原始水印序列b′(n)。

Claims (2)

1.一种基于低密度奇偶校验码的数字音频水印方法，其特征在于该方法是将低密度奇偶校验码这种新型通信信道编码技术引入信息隐藏技术中，与随机水印嵌入技术相互结合，产生具有良好地防止信道干扰性能的数字水印；该方法由水印的低密度奇偶校验码和数字调制、随机扩频序列嵌入种子产生、自适应去直流统计均值调制水印嵌入、水印盲提取步骤组成，即：嵌入的水印是通过口令”k”作随机种子，产生一个与水印序列等长的扩频序列b(k)；生成一个列重为3的奇偶校验矩阵，把输入序列经过低密度奇偶校验码，得到码字是“0，1”的新的受保护水印码序列；嵌入时，水印的幅度与功率成正比，对编码后的序列进行幅度为1的BPSK调制得到待嵌入的水印序列c；随后分析各帧信号的DC直流分量和谱功率，由于语音信号时域幅度样值具有零均值特性，去直流后利用统计均值调制在时域进行水印的嵌入，嵌入深度由各帧信号的谱功率自适应控制，保证嵌入水印的透明性；提取过程可以实现盲检测，根据水印嵌入原理，分析携密语音各帧的统计均值，由判决门限可提取出各帧嵌入的水印比特序列，再通过BPSK解调成单边带信号，低密度奇偶校验码解码后得到原始水印比特序列。

2.根据权利要求1所述的基于低密度奇偶校验码的数字音频水印方法，其特征在于：确保水印鲁棒性的低密度奇偶校验码的采用、确保水印安全性的随机扩频序列嵌入种子产生、自适应去直流统计均值调制水印嵌入方法、水印盲提取技术等。该方法的工作步骤如下：

1.)水印嵌入：

a.首先将数字水印进行LDPC(低密度奇偶校验)编码，然后BPSK(二进数字相移键控)调制成待传输数字信号

b.将明文进行分帧，帧长23.2毫秒，然后根据公式：

$f\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_n\left(i\right)$  n＝1…M

$P_{\mathrm{frame}}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x_n}^2\left(i\right)$  n＝1…M

计算各帧直流分量和谱功率；其中，x_n(i)是第n帧语音中的第i个样点，N是一帧语音含的样点数，M是语音总的分帧数，f(n)是第n帧直流分量，p_frame(n)是第n帧谱功率。

c.根据公式：

x_n(i)＝x_n(i)-f(n)n＝1…M，i＝1…N

去除各帧直流分量；其中，x_n(i)是去除直流分量后第n帧语音中的第i个样点，其余变量定义同上。

d.根据公式：

y_n(i)＝x_n(i)+k×c(n)×P_frame(n)n＝1…M，i＝1…N

将LDPC(低密度奇偶校验)编码后的水印逐帧嵌入；式中y_n(i)是嵌入水印后第n帧语音中的第i个样点，k为尺度参数，确保水印嵌入在低于人耳听觉极限的部分，c(n)是双边带(±1)水印信号，其余变量定义同上。

2.)接收端水印提取步骤：

e.将接收信号同样进行分帧

f.根据公式：

$f^{\&prime;}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{y}_n\left(i\right)$  n＝1…M

计算各帧直流分量，其中，y_n(i)是接收到的嵌入水印后第n帧语音中的第i个样点，与发送方相同，N是一帧语音含的样点数，M是语音总的分帧数，而f′(n)是接收方计算出来的第n帧语音直流分量。

并根据：

$\left\{\begin{array}{cc}{c}^{\&prime;}\left(n\right)=1,& f^{\&prime;}\left(n\right)>0\\ c^{\&prime;}\left(n\right)=-1,& f^{\&prime;}\left(n\right)<0\end{array}\right.$  n＝1…M

提取出嵌入的LDPC(低密度奇偶校验)编码水印信号序列c′(n)。

g.根据LDPC(低密度奇偶校验)解码原理，解出最终的水印序列。

Images