專利名稱：：基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種信息安全
技術(shù)領(lǐng)域：
的音頻處理方法，具體涉及一種基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法。技術(shù)背景在多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)圖像、音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)的保護(hù)成為迫切需要解決的問題。多媒體數(shù)據(jù)的保護(hù)分為兩個(gè)方面:一是版權(quán)保護(hù)，二是內(nèi)容完整性(真實(shí)性)保護(hù)。傳統(tǒng)的加密方法對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)有很大的局限性，而新興的信息隱藏技術(shù)則彌補(bǔ)了這些缺陷。信息隱藏用在多媒體數(shù)據(jù)保護(hù)上稱為數(shù)字水印，是將與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)示信息直接嵌入多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的使用價(jià)值，并不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到。通過這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者，或者鑒定是否真實(shí)完整的目的。另外，如果能將有關(guān)多媒體數(shù)據(jù)的信息(如簡要說明、訂購方法、作者、歌曲的歌詞等)，直接隱藏于多媒體內(nèi)容當(dāng)中，也會(huì)給多媒體的銷售和使用帶來方便，這類水印稱為標(biāo)注水印。在數(shù)字作品電子交易中數(shù)字水印系統(tǒng)可以提供復(fù)制品的探測(cè)追蹤。在數(shù)字作品轉(zhuǎn)讓之前，作品創(chuàng)作者可以嵌入自己的創(chuàng)作標(biāo)志水?。蛔髌忿D(zhuǎn)讓后，媒體發(fā)行者對(duì)存儲(chǔ)在服務(wù)器中的作品進(jìn)行水印處理，加入發(fā)行者標(biāo)記；在出售作品的一個(gè)拷貝時(shí)，媒體發(fā)行者在其中還要加入銷售標(biāo)記。為了使數(shù)字水印技術(shù)在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為數(shù)字作品的發(fā)行和銷售提供多個(gè)環(huán)節(jié)的保護(hù)，有必要設(shè)計(jì)出能夠在同一數(shù)字作品中嵌入多個(gè)水印信號(hào)的多重?cái)?shù)字水印方法。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Mintzer，F(xiàn).等在《Proc.ofthe1999IEEEInternationalConferenceonAcoustics,Speech,andSignalProcessing》(1999年世界聲學(xué)、語音和信號(hào)處理會(huì)議論文集)(1999年，第四期2067至2069頁)上發(fā)表的"Ifonewatermarkisgood,aremorebetter"(如果一個(gè)水印好，是否多重水印會(huì)更好？)，指出多重水印信號(hào)在生成、嵌入方法、提取方法上均比單個(gè)水印信號(hào)方法有更多的要求，水印信號(hào)的透明性和魯棒性的均衡問題更為復(fù)雜。其中最為突出的問題是要保證后嵌入的水印信號(hào)對(duì)先前嵌入的水印信號(hào)造成的影響較小。大多數(shù)的水印方案中，水印的嵌入位置由方法確定，如果在己經(jīng)嵌入了水印的音頻載體中再次嵌入水印，可能會(huì)使第一次嵌入的水印遭到破壞。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于回聲隱藏的多重水印方法，使其對(duì)音頻載體信號(hào)進(jìn)行分幀處理，并就每一幀根據(jù)各個(gè)水印對(duì)應(yīng)位置上的元素為其引入相應(yīng)延時(shí)的回聲，而水印提取無需原始音頻載體信號(hào)的參與，利用多重水印技術(shù)保護(hù)作品的創(chuàng)作者、版權(quán)的所有者以及媒體的發(fā)行者在數(shù)字音頻作品發(fā)行和銷售過程中的權(quán)益。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括兩個(gè)步驟1、水印嵌入部分首先對(duì)音頻載體信號(hào)進(jìn)行分幀處理，幀的個(gè)數(shù)取決于最長的水印的長度，然后在每一幀音頻中根據(jù)各個(gè)水印對(duì)應(yīng)位置上的元素為其引入延時(shí)的回聲；2、水印提取部分首先利用功率倒譜自相關(guān)的方法對(duì)待測(cè)音頻信號(hào)的每一幀中的回聲進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)回聲的延遲提取水印，水印提取無需原始音頻載體信號(hào)的參與。所述水印嵌入，具體如下第一步，假定原始音頻載體為5="(5(0|/=1^*，丄5}，其中i,為原始音頻載體所含的采樣點(diǎn)數(shù)；即將嵌入的水印序列分別為^-^(0卜l,…,IJ、W2={W2(!')|f=l',丄2}和W3={W3(l')|/=V"，丄J，其中A、"和"分別表示第一、二、三個(gè)水印序列的長度；分別用延時(shí)為《、d。和rf個(gè)采樣間隔的回聲來代表水印序列中的二進(jìn)制"1"、"0"和"空位"。第二步，將原始音頻載體信號(hào)s分割成互不重疊的等長的幀，記為FH/I"l，…，"，其中F表示所有幀的集合，X表示第Z幀，￡表示每幀的長度，其中"max仏,丄2，LJ;第三步，將每個(gè)水印的第,個(gè)水印序列W,(!)、H^)和H^)嵌入到第,幀/中，具體如下①首先將"(o嵌入到y(tǒng);中如果H^)-o則給/,添加延時(shí)為d。個(gè)采樣間隔的回聲得到/';如果vv,(/)"則給/,添加延時(shí)為《個(gè)采樣間隔的回聲得到"；②將/'作為原始音頻嵌入vv力)假設(shè)在①中引入的回聲延時(shí)為r,，如果MO-0則給"添加延時(shí)為d。個(gè)采樣間隔的回聲得到;如果w2(0=1則給/1添加延時(shí)為《+r,個(gè)采樣間隔的回聲得到/2;③將/2作為原始音頻嵌入M^):假設(shè)在②中引入的回聲延時(shí)為r,，如果w3。=0則給"添加延時(shí)為d。+r2個(gè)采樣間隔的回聲得到/3;如果=1則給/2添加延時(shí)為《+r2個(gè)采樣間隔的回聲得到/3。第四步，將所有嵌有水印的音頻幀/,3，"l^,…，丄組合起來，形成嵌有水印音頻信號(hào)s'。所述水印提取，具體如下-第一步，將待檢測(cè)的音頻信號(hào)s'-^)卜l,…，M分割成互不重疊的等長的l幀，記為^—,l"l,…，"；第二步，計(jì)算每一幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)，記為C={c,.("),=V^>{;i=V、L}，其中c,表示第i幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)；第三步根據(jù)第''幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)c,.大小提取各個(gè)水印中的第f個(gè)水印序列W(O、^(i)和H^),具體如下首先，比較"d。)、c,.W)以及。W三者的大小，并將其中最大的值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為A(l)，則有柳t如果《(1)=40，如果A(l)-d。其中《、rf。和d表示采樣間隔的個(gè)數(shù)，其采樣間隔的回聲分別代表水印序列中的二進(jìn)制"1"、"0"和"空位"；然后，比較。(&(1)+《)、c,(《(l)+《)以及c,(《(l)+rf)三者的值，將其中最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為"2),則有A(O為，l如果《(2)=&(1)+40,如果《(2)^,.(l)+《如果《(2)-《(l)+rf最后，比較c,.(&(2)+d。)、c,(A(2)+《)以及c,(A(2)+d)三者的值，將其中最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為&(3)，則有^(0為，1,如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>第四步將所有提取出的WO，"V.乂組合成^，所有的^(/)，"V.,丄組合成"2，所有的^(0，'-V.，i組合成A。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括如下有益效果本發(fā)明可同時(shí)將多個(gè)水印序列互不干擾的嵌入到同一音頻載體中，并實(shí)現(xiàn)了水印的獨(dú)立盲提取，同時(shí)對(duì)各種可能音頻信號(hào)處理操作具有很強(qiáng)的魯棒性，因此很適合在數(shù)字產(chǎn)品電子交易系統(tǒng)中完成多版權(quán)認(rèn)證功能。圖1是水印音頻信號(hào)幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)中(a)未經(jīng)任何信號(hào)處理操作、(b)經(jīng)Mp3壓縮/解壓縮、(c)經(jīng)重新采樣、(d)經(jīng)重新量化、(e)經(jīng)低通濾波、(f)疊加噪聲、(g)幅值放大、(h)幅值縮小、(i)延時(shí)、(j)疊加回聲。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本實(shí)施例以一段長度為90s、采樣率為44.1kHz、量化精度為16bit/sample的古典音樂作為原始音頻載體信號(hào)，以三個(gè)長度均為100比特的混沌二值序列作為被嵌入的多重水印對(duì)方法進(jìn)行了仿真。用40個(gè)采樣間隔和60個(gè)采樣間隔分別表示水印序列中的"l"和"-l"，回聲幅值均為0.4。假定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>分別為三個(gè)即將嵌入的水印序列，s為原始音頻載體，分別用延時(shí)為4=40、^=60和^=100個(gè)采樣間隔的回聲來代表水印序列中的二進(jìn)制"1"、"0"和"空位"。水印嵌入部分包括如下步驟第一步首先將原始音頻載體信號(hào)s分割成互不重疊的100個(gè)等長的幀，記第二步將每個(gè)水印的第/個(gè)水印序列，即w,(O、h^)和h^)，嵌入到第/幀/i中。以第一幀為例，假定％(1)=0、w2(l)=l，w3(l)=n""，則嵌入方法是首先，給/,添加延時(shí)為《個(gè)采樣間隔的回聲得到/^然后，將/纟作為原始音頻，為其添加延時(shí)為d。+《個(gè)采樣值的回聲得到/,2;最后，將/卩作為原始信號(hào)，為其添加延時(shí)為+《+rf個(gè)采樣間隔的回聲到//，依此類推，將w,(O、h^)和w力)嵌入到,，"V.，i中得到/3;第三步將所有嵌有水印的音頻幀/，"l^，…,i組合起來，形成嵌有水印音頻信號(hào)s'。水印提取部分包括如下步驟第一步將待檢測(cè)的音頻信號(hào)5'={^,)|,=1,.，丄,}分割成互不重疊的等長的100幀，記為/={義卩=1..，100};第二步計(jì)算每一幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)，記為C={c>):i，…,;/^。;"V、10(^，其中c,.表示第'幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)；第三步為了提取各個(gè)水印中的第z個(gè)水印序列，即vv,(,)、v^(0和h^)，對(duì)第/幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)c,.進(jìn)行比較首先，比較"《)、c,.(rf,)以及c,州三者的大小，并將其中最大的值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為A(l)，則有",(,)為，L如果^(1)=^0，如果A(l)-rf。然后，再比較q(《(l)+《)、c,(a(1)+《)以及c,.(A(l)+W三者的值，將其中最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為A(2),則有^(0為，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>最后，比較c,.te(2)+《)、Ci(&(2)+《)以及"A(2)+d)三者的值，將其中最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為A.(3)，則有^(0為，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>第四步將所有提取出的A(i),"V..,lOO組合成A，所有的^《)，"V-,100組合成《2，所有的"3(')，"V.，100組合成A。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嵌有水印"l、0、NULL"的音頻信號(hào)幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)如圖l所示，圖中的三個(gè)明顯尖峰代表回聲的起始位置，當(dāng)a-(U0.2，…,l時(shí)三個(gè)尖峰的歸一化幅值的變化趨勢(shì)如圖所示。(1)受回聲幅值的影響為了研究本實(shí)施例方法受回聲幅值影響的程度，將回聲的幅值分別設(shè)定為0.11.0，然后進(jìn)行多重水印的嵌入,提取，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(包括信噪比SNR以及三個(gè)水印的誤比特率，B卩BER—1，BER—2以及BER—3)如表1所示。表1在不同回聲幅值下的性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(2)抵御音頻信號(hào)處理操作的魯棒性為了驗(yàn)證本實(shí)施例方法抵御正常的音頻信號(hào)處理操作的強(qiáng)魯棒性，取出嵌有水印的音頻信號(hào)中的一幀進(jìn)行觀察。該幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)如圖l所述,圖中三個(gè)帶星號(hào)為峰值，即P1、P2和P3，對(duì)應(yīng)于嵌入的三個(gè)回聲的起始點(diǎn)，圖(a)為未經(jīng)任何信號(hào)處理操作的音頻，然后，對(duì)嵌有水印的音頻信號(hào)分別進(jìn)行了32kbps的Mp3壓縮/解壓縮處理(如圖(b))、44.1-22.05-44.1kHz的重新采樣(如圖(c))、16-8-16bits/sample的重新量化(如圖(d))、截至頻率為5kHz的低通濾波(如圖(e))、強(qiáng)度為10dB的白噪聲的疊加(如圖(f))、3dB的幅值放大(如圖(g))、3dB的幅值縮小(如圖(h))、100ms，10%的延時(shí)(如圖(i))以及100ms，40%的回聲疊加(如圖(j))的處理，再取出同一幀計(jì)算其功率倒譜自相關(guān)系數(shù)。三個(gè)水印在各種正常的音頻信號(hào)處理操作下所獲得的誤比特率以及信噪比如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明本實(shí)施例方法對(duì)正常的音頻信號(hào)處理操作具有良好的魯棒性。表2該多重水印方法抵御正常的音頻信號(hào)處理操作的魯棒性性能信號(hào)處理類型誤比特率—1誤比特率—2誤比特率—3信噪比(%)(%)無任何操作00000mp3壓縮/解壓縮(32kbps)00000重新采樣(44.l-22.05-44.lkHz)00026.71重新量化(16-8-16bits/sample)00035.41低通濾波(5kHz)000疊加白噪聲(10dB)00027.25幅度放大(3dB)0008.38幅度縮小(-3dB)01110.69延時(shí)(100ms,10%)01117.29疊加回聲(100ms,40%)00013.79(3)抵御惡意攻擊的魯棒性另外，還用專業(yè)的音頻水印攻擊軟件"StirmarkforAudiov02"(—種常用的專業(yè)音頻水印性能測(cè)試工具)對(duì)嵌入水印的音頻信號(hào)進(jìn)行攻擊，然后重新提取水印，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，本實(shí)施例方法對(duì)大部分惡意攻擊表現(xiàn)出了較強(qiáng)的魯棒性。表3該多重水印方法抵御"StirmarkforAudiov0.2"攻擊的魯棒性攻擊方法性能誤比特率—lw誤比特率_2(%)誤比特率—3(%)信噪比withoutattacks(無任何攻擊)00000exchange(替換)00013.34Smooth(平滑處理)00020.58smooth200021.85<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權(quán)利要求1、一種基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征在于，包括兩個(gè)步驟①水印嵌入，首先對(duì)音頻載體信號(hào)進(jìn)行分幀處理，幀的個(gè)數(shù)取決于最長的水印的長度，然后在每一幀音頻中根據(jù)各個(gè)水印對(duì)應(yīng)位置上的元素為其引入延時(shí)的回聲；②水印提取，首先利用功率倒譜自相關(guān)的方法對(duì)待測(cè)音頻信號(hào)的每一幀中的回聲進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)回聲的延遲提取水印。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述水印嵌入，具體如下第一步，設(shè)定原始音頻載體為S-P(!)l!、V.，ij，其中、為原始音頻載體所含的采樣點(diǎn)數(shù)；即將嵌入的水印序列分別為W-H(0卜V-，W、w2={w2(0|!'=V.，丄2}和w3={w3(!)|f=1，...，L3}，其中A、L2和L3分別表示第一、二、三個(gè)水印序列的長度；分別用延時(shí)為rfprf。和d個(gè)采樣間隔的回聲來代表水印序列中的二進(jìn)制"1"、"0"和"空位"；第二步，將原始音頻載體信號(hào)s分割成互不重疊的等長的幀，記為FH/il"V.,W,其中F表示所有幀的集合，,表示第f幀，L表示每幀的長度，第三步，將第i個(gè)水印序列w,(o、^(o和^(o嵌入到第,幀/;中；第四步，將所有嵌有水印的音頻幀組合起來，形成嵌有水印音頻信號(hào)。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述將第'個(gè)水印序列w,(i)、H^)和H^)嵌入到第i幀y;中，具體如下①首先將h^)嵌入到/中如果"(,)=0則給_/;添加延時(shí)為《個(gè)采樣間隔的回聲得到/1;如果=1則給/添加延時(shí)為《個(gè)采樣間隔的回聲得到/1;②將/'作為原始音頻嵌入w力)若在①中引入的回聲延時(shí)為r,，如果v^f)-0則給/'添加延時(shí)為《+r,個(gè)采樣間隔的回聲得到/2;如果^(0=1則給/'添加延時(shí)為rf,+r，個(gè)采樣間隔的回聲得到/2;◎?qū)?2作為原始音頻嵌入M^):若在②中引入的回聲延時(shí)為r,，如果w(O-o則給/2添加延時(shí)為rf。+r2個(gè)采樣間隔的回聲得到/;3;如果w2(01則給/2添加延時(shí)為《+^個(gè)采樣間隔的回聲得到/3。4、根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述水印提取，具體如下第一步，將待檢測(cè)的音頻信號(hào)分割成互不重疊的等長的L幀，記為第二步，計(jì)算每一幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)，記為C={c,(")d，-..A/;/=V..，i}，其中c,.表示第'幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù);a，'第三步根據(jù)第I—幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)c,的大小提取各個(gè)水印中的第i個(gè)水印序列w，(i)、w2(i)和w3(z);第四步將所有提取出的W'V"，…,丄組合成A，所有的A(i),"V..,i組合成"2,所有的^(/),"V.,i組合成A。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述根據(jù)第''幀的功率倒譜自相關(guān)系數(shù)&的大小提取各個(gè)水印中的第!個(gè),，列"(,)、W2(0和W3(i)，具體如下首先，比較c,.(d。)、c,.(《)以及c,^)三者的大小，并將其中最大的值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為A(l)，則有柳、如果《.(1)=<0，如果&(1)=《肌〃，如果A(1)"其中^、rf。和d表示采樣間隔的個(gè)數(shù)，其采樣間隔的回聲分別代表水印序列中的二進(jìn)制"1"、"0"和"空位"；然后，比較。(&(1)+《)、c,(a(l)+《)以及c,(a(l)+rf)三者的值，將其中最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為A(2),則有A(i)為，L如果仏.(2)=&(1)+《0，如果《(2)^,(l)+rf。如果《(2)-《(l)+d最后，比較c,."(2)+d。)、c,."(2)+d,)以及?；?2)+d)三者的值，將其中最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)記為"3),則有^(0為，[1，如果《(3)=&(2)+《0,如果a(3)^(2Wo肌//，！7A(3)=《(2)+d全文摘要一種信息安全
技術(shù)領(lǐng)域：
的音頻處理方法中的基于回聲隱藏的多重水印嵌入和提取方法，包括水印嵌入和水印提取兩個(gè)部分水印嵌入部分中首先對(duì)音頻載體信號(hào)進(jìn)行分幀處理，幀的個(gè)數(shù)取決于最長的水印的長度，然后在每一幀音頻中根據(jù)各個(gè)水印對(duì)應(yīng)位置上的元素為其引入延時(shí)的回聲；水印提取部分中首先利用功率倒譜自相關(guān)的方法對(duì)待測(cè)音頻信號(hào)的每一幀中的回聲進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)回聲的延遲提取水印。本發(fā)明對(duì)在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可能遇到的各種的信號(hào)處理操作以及惡意攻擊都具有很強(qiáng)的魯棒性，另外水印提取過程無需原始音頻載體信號(hào)的參與，因此具有較好的應(yīng)用價(jià)值。文檔編號(hào)G10L19/00GK101266794SQ20081003521公開日2008年9月17日申請(qǐng)日期2008年3月27日優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日發(fā)明者杰朱,寧陳申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)