基于嵌入区域选择的音频水印方法及系统与流程

技术特征：

1.一种基于嵌入区域选择的音频水印方法，其特征在于：包括嵌入过程和检测过程，所述嵌入过程包括以下步骤，

步骤A1，读取音频文件，得到采样率fs1和分帧后第n帧时域音频的信号x_n，帧长为N，先对每帧信号x_n进行是否能够作为嵌入区域的判断，

然后针对能够作为嵌入区域的各帧信号x_n，进行音频水印的嵌入频率段的选择，进行音频水印的嵌入频率段的选择，设根据人耳感知敏感的频率部分预设的嵌入的开始频率为FWMIN、结束频率为FWMAX，一帧的开始嵌入点freqmin1和嵌入结束点freqmax1求取如下，

freqmin1＝floor((FWMIN×2.0/fs1)×N)

freqmax1＝floor((FWMAX×2.0/fs1)×N)

其中，floor为向下取整函数；

步骤A2，对能够嵌入水印的各帧信号x_n，进行离散傅立叶变换得到频域信号X_n；

步骤A3，利用密钥key作为随机数种子，生成长度为freqmax1-freqmin1+1的二进制伪随机的扩频序列u；

步骤A4，根据扩频序列u、频域信号X_n和水印比特b，进行水印的嵌入，得到嵌入水印后的频域信号，计算如下，

|X′_n|＝|X_n|+bαu

其中，α为常数，控制水印的嵌入强度，|X_n|和|X′_n|分别表示嵌入水印前的频域幅值和嵌入水印后的频域幅度，然后通过欧拉公式得到嵌入水印后的频域信号

$X_n^{\′}=\left|X_n^{\′}\right|e^{j\∠X_n}$

其中，∠X_n表示频域信号的相位，X′_n表示嵌入水印后的频域信号，e为数学自然指数；

步骤A5，将嵌入水印后的频域信号X′_n变换到时域，生成嵌入水印的音频文件；

所述检测过程包括以下步骤，

步骤B1，读取待检测的音频文件，得到的时域分帧后的第n帧信号z_n和采样率fs2，

先对每帧信号x_n进行是否能够作为嵌入区域的判断；

针对能够作为嵌入区域的各帧信号x_n，作为待检测的信号，计算检测范围的起始点freqmin2和频域结束点freqmax2

freqmin2＝floor((FWMIN×2.0/fs2)×N)

freqmax2＝floor((FWMAX×2.0/fs2)×N)

步骤B2，进行离散傅立叶变换得到待检测信号的频域信号Z_n，相应频域幅度值记为|Z_n|；

步骤B3，利用密钥key作为随机数种子，生成长度为freqmax2-freqmin2+1的二进制伪随机的扩频序列u；

步骤B4，根据扩频序列u和待检测信号的频域幅度值|Z_n|，计算出检测的充分统计量r_n如下，

$r_n=\frac{\<u,\left|Z_n\right|\>}{\<u,u\>}$

如果充分统计量r_n≥0，那么检测到的水印比特为b＝1；否则，检测到的水印比特为b＝0。

2.根据权利要求1所述基于嵌入区域选择的音频水印方法，其特征在于：步骤A1和步骤B1中，对每帧信号x_n进行是否能够作为嵌入区域的判断，实现方式如下，

1)信号x_n的平均能量的大小超出预设的相应阈值τ₁，是则为静音区，不允许嵌入水印；

2)如果信号x_n内包含瞬态信号，则不允许嵌入水印。

3.根据权利要求2所述基于嵌入区域选择的音频水印方法，其特征在于：信号x_n内是否包含瞬态信号，通过以下方式判断，

设将一帧信号分解为S个块，分别计算出S个块的能量，比较最大能量的块与最小能量块的能量比rate和预设的相应阈值τ₂，如果rate大于τ₂则认为该帧信号包含瞬态信号。

4.一种基于嵌入区域选择的音频水印系统，其特征在于：包括音频水印嵌入子系统和水印检测子系统，

所述音频水印嵌入子系统包括以下模块，

选择合适区域嵌入模块，用于读取音频文件，得到采样率fs1和分帧后第n帧时域音频 的信号x_n，帧长为N，

先对每帧信号x_n进行是否能够作为嵌入区域的判断，

然后针对能够作为嵌入区域的各帧信号x_n，进行音频水印的嵌入频率段的选择，进行音频水印的嵌入频率段的选择，设根据人耳感知敏感的频率部分预设的嵌入的开始频率为FWMIN、结束频率为FWMAX，一帧的开始嵌入点freqmin1和嵌入结束点freqmax1求取如下，

freqmin1＝floor((FWMIN×2.0/fs1)×N)

freqmax1＝floor((FWMAX×2.0/fs1)×N)

其中，floor为向下取整函数；

第一时频转换模块，用于对能够嵌入水印的各帧信号x_n，进行离散傅立叶变换得到频域信号X_n；

第一扩频序列生成模块，用于利用密钥key作为随机数种子，生成长度为freqmax1-freqmin1+1的二进制伪随机的扩频序列u；

水印嵌入模块，用于根据扩频序列u、频域信号X_n和水印比特b，进行水印的嵌入，得到嵌入水印后的频域信号，计算如下，

|X′_n|＝|X_n|+bαu

其中，α为常数，控制水印的嵌入强度，|X_n|和|X′_n|分别表示嵌入水印前的频域幅值和嵌入水印后的频域幅度，然后通过欧拉公式得到嵌入水印后的频域信号

$X_n^{\′}=\left|X_n^{\′}\right|e^{j\∠X_n}$

其中，∠X_n表示频域信号的相位，X′_n表示嵌入水印后的频域信号，e为数学自然指数；

时频逆变换模块，用于将嵌入水印后的频域信号X′_n变换到时域，生成嵌入水印的音频文件；

所述水印检测子系统包括以下模块，

选择合适区域检测模块，用于读取待检测的音频文件，得到的时域分帧后的第n帧信号z_n和采样率fs2，

先对每帧信号x_n进行是否能够作为嵌入区域的判断；

针对能够作为嵌入区域的各帧信号x_n，作为待检测的信号，计算检测范围的起始点freqmin2和频域结束点freqmax2

freqmin2＝floor((FWMIN×2.0/fs2)×N)

freqmax2＝floor((FWMAX×2.0/fs2)×N)

第二时频转换模块，用于进行离散傅立叶变换得到待检测信号的频域信号Z_n，相应频域幅度值记为|Z_n|；

第二扩频序列生成模块，用于利用密钥key作为随机数种子，生成长度为freqmax2-freqmin2+1的二进制伪随机的扩频序列u；

相关检测模块，用于根据扩频序列u和待检测信号的频域幅度值|Z_n|，计算出检测的充分统计量r_n如下，

$r_n=\frac{\<u,\left|Z_n\right|\>}{\<u,u\>}$

如果充分统计量r_n≥0，那么检测到的水印比特为b＝1；否则，检测到的水印比特为b＝0。

5.根据权利要求4所述基于嵌入区域选择的音频水印系统，其特征在于：选择合适区域嵌入模块和选择合适区域检测模块中，对每帧信号x_n进行是否能够作为嵌入区域的判断，实现方式如下，

1)信号x_n的平均能量的大小超出预设的相应阈值τ₁，是则为静音区，不允许嵌入水印；

2)如果信号x_n内包含瞬态信号，则不允许嵌入水印。

6.根据权利要求5所述基于嵌入区域选择的音频水印系统，其特征在于：信号x_n内是否包含瞬态信号，通过以下方式判断，

设将一帧信号分解为S个块，分别计算出S个块的能量，比较最大能量的块与最小能量块的能量比rate和预设的相应阈值τ₂，如果rate大于τ₂则认为该帧信号包含瞬态信号。