专利名称：一种在音频信号中嵌入及提取数字水印的方法
技术领域：
本发明属于信息隐藏领域，具体涉及一种在音频信号中嵌入及提取数字水印的方 法。
背景技术：
随着计算机和网络技术的飞速发展，数字图像、音频和视频等多媒体数字产品愈 来愈需要一种有效的版权保护方法，另外通信系统在网络环境下的信息安全问题也日益暴 露出来。数字水印技术为上述问题提供了一个有效的解决方案。回声隐藏通过在原始声音中引入不可感知的回声，以达到信息隐藏的目的。与其 它音频信息隐藏方法相比，回声隐藏具有如下优点隐藏算法简单，算法不产生噪声、隐藏 效果好，并且有时由于回声的引入，使声音听起来更加浑厚，对同步的要求不高，算法本身 甚至可以做粗同步的工具。提取隐藏信息时不需要原始音频序列，实现盲检测。分析近年来针对回声隐藏的研究进展，其嵌入算法的研究大部分集中在对“核” 的改造上，出现了基于双极性回声核、双向回声核等嵌入算法，这类算法均在时域上完成嵌 入，其复杂度较高。Jae-Won Cho提出了在小波子带域进行回声嵌入，但是小波分解未能有 效刻画心理声学模型的听觉感知特性，同时其回声强度并未做到帧级的自适应，其隐写后 的信号客观质量SNR不是很理想。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种针对音频载体的自 适应回声数字水印方法，在小波包子带域，对每个小波包子带自适应选择回声强度，并完成 水印嵌入。本发明是通过以下技术方案实现的—种在音频信号中嵌入及提取数字水印的方法，其特征在于，所述方法包括(1)数字水印嵌入部分首先对音频信号进行分帧处理，然后对每帧信号进行小 波包分解得到小波包子带信号，计算所述小波包子带信号的掩蔽阈值，最后，在小波包子带 中，在不同的节点处引入不同的嵌入回声延迟，同时结合小波包子带的掩蔽阈值确定嵌入 回声的强度，完成对小波包子带信号的水印嵌入；最后对嵌入水印后的小波包子带信号进 行逆小波包重构，还原得到时域音频信号；(2)数字水印提取部分首先对音频信号进行分帧处理，然后对每帧信号进行小 波包分解得到小波包子带信号，接着计算每一个小波包子带信号的功率倒谱值，最后根据 功率倒谱值的峰值出现的位置提取水印。其中，所述数字水印嵌入部分包括以下步骤(1)设长度为L的音频信号用x[i]表示，其中，1 ^ i ^lo首先对音频信号进行 分帧处理，帧长为N，每帧信号用表示，其中，1彡i^N,\<n<[L/Nj；(2)对每帧信号^[i]进行8级小波包分解得到小波树。取其中的四个小波包子
5带信号，即节点 C(i) = {[8,0], [8,1], [8,2], [8,3], [8,4], [8,5], [7,3], [7,4], [7,5], [7,6], [7,7], [6,4], [6,5], [6,6], [6,7], [6,8], [6,9], [5,5], [5,6], [5,7], [5,8], [5， 9]，[4,5], [4,6], [4,7], [3,4], [3,5], [3,6], [3，7]}，其中 1 彡 i 彡 29 ；结合心理声学模 型计算四个小波包子带的掩蔽阈值，即t" i，其中1 < i <四；因为音频信号的频率范围 在20Hz 20kHz，在这一频率范围内有沈个临界频带。采用小波包变换对音频信号进行处 理，对频带的划分接近临界频带，将音频信号进行8级小波包分解后，可将信号的频带划分 为四个非等宽小波包子带。本发明在这一步骤中选择这四个小波包子带进行掩蔽阈值的 计算。(3)计算嵌入回声的强度α i ；(4)设嵌入的数字水印用w[i]表示，数字水印的长度为信号的帧数，即 li、[//iV」;选取步骤⑵中的12个小波包子带进行水印嵌入；这里是从信号的中低频小 波包子带中选择12个小波包子带，在这些小波包子带中进行嵌入对信号的失真较小且鲁 棒性较高。如果选取其他小波包子带进行嵌入，也可以完成水印的嵌入，但是嵌入后的性能 要差一些，例如信号失真较大和抗攻击能力较差。(5)对嵌入水印后的小波包子带信号进行逆小波包重构，得到时域信号。所述步骤O)的计算步骤如下①设小波包子带用Ci [η]表示，其中1彡i彡四，1彡η彡M，M为第i个小波包子 带中小波系数的个数；计算小波包子带的Bark能量谱Bi, 1 < i < 29，具体计算如下
权利要求
1.一种在音频信号中嵌入及提取数字水印的方法，其特征在于，所述方法包括(1)数字水印嵌入部分首先对音频信号进行分帧处理，然后对每帧信号进行小波包 分解得到小波包子带信号，计算所述小波包子带信号的掩蔽阈值，最后，在小波包子带中， 在不同的节点处引入不同的嵌入回声延迟，同时结合小波包子带的掩蔽阈值确定嵌入回声 的强度，完成对小波包子带信号的水印嵌入；最后对嵌入水印后的小波包子带信号进行逆 小波包重构，还原得到时域音频信号；(2)数字水印提取部分首先对音频信号进行分帧处理，然后对每帧信号进行小波包 分解得到小波包子带信号，接着计算每一个小波包子带信号的功率倒谱值，最后根据功率 倒谱值的峰值出现的位置提取水印。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字水印嵌入部分包括以下步骤(1)设长度为L的音频信号用x[i]表示，其中，1^首先对音频信号进行分中贞 处理，帧长为N，每帧信号用表示，其中，1彡i^^,l<n<[L/Nj；(2)对每帧信号^[i]进行8级小波包分解得到小波树。取其中的四个小波包子带信 号，即节点 C(i) = {[8,0], [8,1], [8,2], [8,3], [8,4], [8,5], [7,3], [7,4], [7,5], [7， 6]， [7,7], [6,4], [6,5], [6,6], [6,7], [6,8], [6,9], [5,5], [5,6], [5,7], [5,8], [5,9], [4，5]，W，6]，W，7]，[3，4]，[3，5]，[3，6]，[3，7]}，其中 1 ^ i ^ 29 ；结合心理声学模型计 算29个小波包子带的掩蔽阈值，即T〃 i，其中1彡i彡四；(3)计算嵌入回声的强度αi ；(4)设嵌入的数字水印用w[i]表示，数字水印的长度为信号的帧数，即iy<"iV」；选 取步骤O)中的12个小波包子带信号进行水印嵌入；(5)对嵌入水印后的小波包子带信号进行逆小波包重构，得到时域信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤O)的计算步骤如下
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)的计算公式如下 fT"\α, =IoglO 丄，1<ζ·<29。‘ & 20 KliyjJ
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中选取步骤O)中的12个 小波包子带分别为 Ci = {[5，5]，[5，6]，[5，7]，[5，8]，[5，9]，[4，5]，[4，6]，[4，7], [3,4], [3,5], [3,6], [3,7]}；水印嵌入的计算如下C (n) = Ic' (”) + 叫‘(“一《)若州⑴=1 ‘+ OciCi (n-d2)若w(,·) = 0根据嵌入的节点不同选择不同的回声延迟，即在节点[5，5]，[5,6], [5,7], [5,8], [5， 9]处，回声延迟20彡屯，40，在节点[4,5], [4,6], [4,7]处，回声延迟20彡屯，d2彡80， 在节点[3，4]，[3,5], [3,6], [3,7]处，回声延迟20彡屯，d2彡120 ；在相应的回声延迟范 围内，随机选择一个值作为该节点的回声延迟。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述数字水印提取部分包括(1)对音频信号进行8级小波包分解，提取节点[5，5]，[5，6]，[5，7]，[5，8]，[5，9]，[4， 5]，[4，6]，[4，7]，[3，4]，[3，5]，[3，6]，[3，7]处的小波包子带系数，用 Ci 表示，1 彡 i 彡 12 ；(2)分别对每一小波包子带计算其功率倒谱，Ei = {IFFTtloglFFT^) |2]}2(3)取每个小波包子带中回声延迟d”(12处的功率倒谱值，若该点值大于左右10个点 的功率倒谱值，则可提取该回声延迟处的水印信息为0或1，否则提取失败。
全文摘要
本发明提供了一种在音频信号中嵌入及提取数字水印的方法，属于信息隐藏领域。本发明包括数字水印嵌入部分和数字水印提取两部分，数字水印嵌入部分先对音频信号进行分帧处理，然后对每帧进行小波包分解，计算小波包子带掩蔽阈值及相应小波包子带的水印强度，选择合适的回声延迟完成水印嵌入，最后进行逆小波包分解，还原得时域音频信号；数字水印提取部分先对音频信号进行分帧处理，然后对每帧信号进行小波包分解，计算小波包子带系数的功率倒谱，根据峰值出现位置提取水印。本发明选择在小波包子带进行嵌入，对攻击的鲁棒性更高，同时回声强度随小波包子带自适应调整，嵌入水印后，信号的感知失真更小，因此适合于对数字音频信号进行版权保护。
文档编号G10L19/02GK102142255SQ201010221078
公开日2011年8月3日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者李维奇, 艾浩军 申请人:北京三信时代信息公司