专利名称：：基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法
技术领域：
：本发明涉及一种信息安全
技术领域：
的音频处理方法，具体涉及一种基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法。技术背景在多媒体和网络技术飞速发展并广泛应用的今天，对图像、音频、视频等多媒体数据的保护成为迫切需要解决的问题。多媒体数据的保护分为两个方面:一是版权保护，二是内容完整性(真实性)保护。传统的加密方法对数据的保护有很大的局限性，而新兴的信息隐藏技术则弥补了这些缺陷。信息隐藏用在多媒体数据保护上称为数字水印，是将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入多媒体内容当中，但不影响原内容的使用价值，并不容易被人的知觉系统觉察或注意到。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者，或者鉴定是否真实完整的目的。另外，如果能将有关多媒体数据的信息(如简要说明、订购方法、作者、歌曲的歌词等)，直接隐藏于多媒体内容当中，也会给多媒体的销售和使用带来方便，这类水印称为标注水印。在数字作品电子交易中数字水印系统可以提供复制品的探测追踪。在数字作品转让之前，作品创作者可以嵌入自己的创作标志水印；作品转让后，媒体发行者对存储在服务器中的作品进行水印处理，加入发行者标记；在出售作品的一个拷贝时，媒体发行者在其中还要加入销售标记。为了使数字水印技术在复杂的网络环境中为数字作品的发行和销售提供多个环节的保护，有必要设计出能够在同一数字作品中嵌入多个水印信号的多重数字水印方法。经对现有技术的文献检索发现，Mintzer，F.等在《Proc.ofthe1999IEEEInternationalConferenceonAcoustics,Speech,andSignalProcessing》(1999年世界声学、语音和信号处理会议论文集)(1999年，第四期2067至2069页)上发表的"Ifonewatermarkisgood,aremorebetter"(如果一个水印好，是否多重水印会更好？)，指出多重水印信号在生成、嵌入方法、提取方法上均比单个水印信号方法有更多的要求，水印信号的透明性和鲁棒性的均衡问题更为复杂。其中最为突出的问题是要保证后嵌入的水印信号对先前嵌入的水印信号造成的影响较小。大多数的水印方案中，水印的嵌入位置由方法确定，如果在己经嵌入了水印的音频载体中再次嵌入水印，可能会使第一次嵌入的水印遭到破坏。
发明内容本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于回声隐藏的多重水印方法，使其对音频载体信号进行分帧处理，并就每一帧根据各个水印对应位置上的元素为其引入相应延时的回声，而水印提取无需原始音频载体信号的参与，利用多重水印技术保护作品的创作者、版权的所有者以及媒体的发行者在数字音频作品发行和销售过程中的权益。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括两个步骤1、水印嵌入部分首先对音频载体信号进行分帧处理，帧的个数取决于最长的水印的长度，然后在每一帧音频中根据各个水印对应位置上的元素为其引入延时的回声；2、水印提取部分首先利用功率倒谱自相关的方法对待测音频信号的每一帧中的回声进行检测，然后根据回声的延迟提取水印，水印提取无需原始音频载体信号的参与。所述水印嵌入，具体如下第一步，假定原始音频载体为5="(5(0|/=1^*，丄5}，其中i,为原始音频载体所含的采样点数；即将嵌入的水印序列分别为^-^(0卜l,…,IJ、W2={W2(!')|f=l',丄2}和W3={W3(l')|/=V"，丄J，其中A、"和"分别表示第一、二、三个水印序列的长度；分别用延时为《、d。和rf个采样间隔的回声来代表水印序列中的二进制"1"、"0"和"空位"。第二步，将原始音频载体信号s分割成互不重叠的等长的帧，记为FH/I"l，…，"，其中F表示所有帧的集合，X表示第Z帧，￡表示每帧的长度，其中"max仏,丄2，LJ;第三步，将每个水印的第,个水印序列W,(!)、H^)和H^)嵌入到第,帧/中，具体如下①首先将"(o嵌入到y;中如果H^)-o则给/,添加延时为d。个采样间隔的回声得到/';如果vv,(/)"则给/,添加延时为《个采样间隔的回声得到"；②将/'作为原始音频嵌入vv力)假设在①中引入的回声延时为r,，如果MO-0则给"添加延时为d。个采样间隔的回声得到;如果w2(0=1则给/1添加延时为《+r,个采样间隔的回声得到/2;③将/2作为原始音频嵌入M^):假设在②中引入的回声延时为r,，如果w3。=0则给"添加延时为d。+r2个采样间隔的回声得到/3;如果=1则给/2添加延时为《+r2个采样间隔的回声得到/3。第四步，将所有嵌有水印的音频帧/,3，"l^,…，丄组合起来，形成嵌有水印音频信号s'。所述水印提取，具体如下-第一步，将待检测的音频信号s'-^)卜l,…，M分割成互不重叠的等长的l帧，记为^—,l"l,…，"；第二步，计算每一帧的功率倒谱自相关系数，记为C={c,.("),=V^>{;i=V、L}，其中c,表示第i帧的功率倒谱自相关系数；第三步根据第''帧的功率倒谱自相关系数c,.大小提取各个水印中的第f个水印序列W(O、^(i)和H^),具体如下首先，比较"d。)、c,.W)以及。W三者的大小，并将其中最大的值所对应的横坐标记为A(l)，则有柳t如果《(1)=40，如果A(l)-d。其中《、rf。和d表示采样间隔的个数，其采样间隔的回声分别代表水印序列中的二进制"1"、"0"和"空位"；然后，比较。(&(1)+《)、c,(《(l)+《)以及c,(《(l)+rf)三者的值，将其中最大值所对应的横坐标记为"2),则有A(O为，l如果《(2)=&(1)+40,如果《(2)^,.(l)+《如果《(2)-《(l)+rf最后，比较c,.(&(2)+d。)、c,(A(2)+《)以及c,(A(2)+d)三者的值，将其中最大值所对应的横坐标记为&(3)，则有^(0为，1,如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>第四步将所有提取出的WO，"V.乂组合成^，所有的^(/)，"V.,丄组合成"2，所有的^(0，'-V.，i组合成A。与现有技术相比，本发明包括如下有益效果本发明可同时将多个水印序列互不干扰的嵌入到同一音频载体中，并实现了水印的独立盲提取，同时对各种可能音频信号处理操作具有很强的鲁棒性，因此很适合在数字产品电子交易系统中完成多版权认证功能。图1是水印音频信号帧的功率倒谱自相关系数中(a)未经任何信号处理操作、(b)经Mp3压縮/解压縮、(c)经重新采样、(d)经重新量化、(e)经低通滤波、(f)叠加噪声、(g)幅值放大、(h)幅值缩小、(i)延时、(j)叠加回声。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本实施例以一段长度为90s、采样率为44.1kHz、量化精度为16bit/sample的古典音乐作为原始音频载体信号，以三个长度均为100比特的混沌二值序列作为被嵌入的多重水印对方法进行了仿真。用40个采样间隔和60个采样间隔分别表示水印序列中的"l"和"-l"，回声幅值均为0.4。假定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>分别为三个即将嵌入的水印序列，s为原始音频载体，分别用延时为4=40、^=60和^=100个采样间隔的回声来代表水印序列中的二进制"1"、"0"和"空位"。水印嵌入部分包括如下步骤第一步首先将原始音频载体信号s分割成互不重叠的100个等长的帧，记第二步将每个水印的第/个水印序列，即w,(O、h^)和h^)，嵌入到第/帧/i中。以第一帧为例，假定％(1)=0、w2(l)=l，w3(l)=n""，则嵌入方法是首先，给/,添加延时为《个采样间隔的回声得到/^然后，将/纟作为原始音频，为其添加延时为d。+《个采样值的回声得到/,2;最后，将/卩作为原始信号，为其添加延时为+《+rf个采样间隔的回声到//，依此类推，将w,(O、h^)和w力)嵌入到,，"V.，i中得到/3;第三步将所有嵌有水印的音频帧/，"l^，…,i组合起来，形成嵌有水印音频信号s'。水印提取部分包括如下步骤第一步将待检测的音频信号5'={^,)|,=1,.，丄,}分割成互不重叠的等长的100帧，记为/={义卩=1..，100};第二步计算每一帧的功率倒谱自相关系数，记为C={c>):i，…,;/^。;"V、10(^，其中c,.表示第'帧的功率倒谱自相关系数；第三步为了提取各个水印中的第z个水印序列，即vv,(,)、v^(0和h^)，对第/帧的功率倒谱自相关系数c,.进行比较首先，比较"《)、c,.(rf,)以及c,州三者的大小，并将其中最大的值所对应的横坐标记为A(l)，则有",(,)为，L如果^(1)=^0，如果A(l)-rf。然后，再比较q(《(l)+《)、c,(a(1)+《)以及c,.(A(l)+W三者的值，将其中最大值所对应的横坐标记为A(2),则有^(0为，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>最后，比较c,.te(2)+《)、Ci(&(2)+《)以及"A(2)+d)三者的值，将其中最大值所对应的横坐标记为A.(3)，则有^(0为，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>第四步将所有提取出的A(i),"V..,lOO组合成A，所有的^《)，"V-,100组合成《2，所有的"3(')，"V.，100组合成A。实验验证嵌有水印"l、0、NULL"的音频信号帧的功率倒谱自相关系数如图l所示，图中的三个明显尖峰代表回声的起始位置，当a-(U0.2，…,l时三个尖峰的归一化幅值的变化趋势如图所示。(1)受回声幅值的影响为了研究本实施例方法受回声幅值影响的程度，将回声的幅值分别设定为0.11.0，然后进行多重水印的嵌入,提取，实验结果(包括信噪比SNR以及三个水印的误比特率，B卩BER—1，BER—2以及BER—3)如表1所示。表1在不同回声幅值下的性能比较<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(2)抵御音频信号处理操作的鲁棒性为了验证本实施例方法抵御正常的音频信号处理操作的强鲁棒性，取出嵌有水印的音频信号中的一帧进行观察。该帧的功率倒谱自相关系数如图l所述,图中三个带星号为峰值，即P1、P2和P3，对应于嵌入的三个回声的起始点，图(a)为未经任何信号处理操作的音频，然后，对嵌有水印的音频信号分别进行了32kbps的Mp3压缩/解压缩处理(如图(b))、44.1-22.05-44.1kHz的重新采样(如图(c))、16-8-16bits/sample的重新量化(如图(d))、截至频率为5kHz的低通滤波(如图(e))、强度为10dB的白噪声的叠加(如图(f))、3dB的幅值放大(如图(g))、3dB的幅值缩小(如图(h))、100ms，10%的延时(如图(i))以及100ms，40%的回声叠加(如图(j))的处理，再取出同一帧计算其功率倒谱自相关系数。三个水印在各种正常的音频信号处理操作下所获得的误比特率以及信噪比如表2所示。实验结果充分证明本实施例方法对正常的音频信号处理操作具有良好的鲁棒性。表2该多重水印方法抵御正常的音频信号处理操作的鲁棒性性能信号处理类型误比特率—1误比特率—2误比特率—3信噪比(%)(%)无任何操作00000mp3压縮/解压縮(32kbps)00000重新采样(44.l-22.05-44.lkHz)00026.71重新量化(16-8-16bits/sample)00035.41低通滤波(5kHz)000叠加白噪声(10dB)00027.25幅度放大(3dB)0008.38幅度縮小(-3dB)01110.69延时(100ms,10%)01117.29叠加回声(100ms,40%)00013.79(3)抵御恶意攻击的鲁棒性另外，还用专业的音频水印攻击软件"StirmarkforAudiov02"(—种常用的专业音频水印性能测试工具)对嵌入水印的音频信号进行攻击，然后重新提取水印，实验结果如表3所示。可以看出，本实施例方法对大部分恶意攻击表现出了较强的鲁棒性。表3该多重水印方法抵御"StirmarkforAudiov0.2"攻击的鲁棒性攻击方法性能误比特率—lw误比特率_2(%)误比特率—3(%)信噪比withoutattacks(无任何攻击)00000exchange(替换)00013.34Smooth(平滑处理)00020.58smooth200021.85<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1、一种基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征在于，包括两个步骤①水印嵌入，首先对音频载体信号进行分帧处理，帧的个数取决于最长的水印的长度，然后在每一帧音频中根据各个水印对应位置上的元素为其引入延时的回声；②水印提取，首先利用功率倒谱自相关的方法对待测音频信号的每一帧中的回声进行检测，然后根据回声的延迟提取水印。2、根据权利要求l所述的基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述水印嵌入，具体如下第一步，设定原始音频载体为S-P(!)l!、V.，ij，其中、为原始音频载体所含的采样点数；即将嵌入的水印序列分别为W-H(0卜V-，W、w2={w2(0|!'=V.，丄2}和w3={w3(!)|f=1，...，L3}，其中A、L2和L3分别表示第一、二、三个水印序列的长度；分别用延时为rfprf。和d个采样间隔的回声来代表水印序列中的二进制"1"、"0"和"空位"；第二步，将原始音频载体信号s分割成互不重叠的等长的帧，记为FH/il"V.,W,其中F表示所有帧的集合，,表示第f帧，L表示每帧的长度，第三步，将第i个水印序列w,(o、^(o和^(o嵌入到第,帧/;中；第四步，将所有嵌有水印的音频帧组合起来，形成嵌有水印音频信号。3、根据权利要求2所述的基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述将第'个水印序列w,(i)、H^)和H^)嵌入到第i帧y;中，具体如下①首先将h^)嵌入到/中如果"(,)=0则给_/;添加延时为《个采样间隔的回声得到/1;如果=1则给/添加延时为《个采样间隔的回声得到/1;②将/'作为原始音频嵌入w力)若在①中引入的回声延时为r,，如果v^f)-0则给/'添加延时为《+r,个采样间隔的回声得到/2;如果^(0=1则给/'添加延时为rf,+r，个采样间隔的回声得到/2;◎将/2作为原始音频嵌入M^):若在②中引入的回声延时为r,，如果w(O-o则给/2添加延时为rf。+r2个采样间隔的回声得到/;3;如果w2(01则给/2添加延时为《+^个采样间隔的回声得到/3。4、根据权利要求l所述的基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述水印提取，具体如下第一步，将待检测的音频信号分割成互不重叠的等长的L帧，记为第二步，计算每一帧的功率倒谱自相关系数，记为C={c,(")d，-..A/;/=V..，i}，其中c,.表示第'帧的功率倒谱自相关系数;a，'第三步根据第I—帧的功率倒谱自相关系数c,的大小提取各个水印中的第i个水印序列w，(i)、w2(i)和w3(z);第四步将所有提取出的W'V"，…,丄组合成A，所有的A(i),"V..,i组合成"2,所有的^(/),"V.,i组合成A。5、根据权利要求4所述的基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法，其特征是，所述根据第''帧的功率倒谱自相关系数&的大小提取各个水印中的第!个,，列"(,)、W2(0和W3(i)，具体如下首先，比较c,.(d。)、c,.(《)以及c,^)三者的大小，并将其中最大的值所对应的横坐标记为A(l)，则有柳、如果《.(1)=<0，如果&(1)=《肌〃，如果A(1)"其中^、rf。和d表示采样间隔的个数，其采样间隔的回声分别代表水印序列中的二进制"1"、"0"和"空位"；然后，比较。(&(1)+《)、c,(a(l)+《)以及c,(a(l)+rf)三者的值，将其中最大值所对应的横坐标记为A(2),则有A(i)为，L如果仏.(2)=&(1)+《0，如果《(2)^,(l)+rf。如果《(2)-《(l)+d最后，比较c,."(2)+d。)、c,."(2)+d,)以及。化(2)+d)三者的值，将其中最大值所对应的横坐标记为"3),则有^(0为，[1，如果《(3)=&(2)+《0,如果a(3)^(2Wo肌//，！7A(3)=《(2)+d全文摘要一种信息安全
技术领域：
的音频处理方法中的基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取方法，包括水印嵌入和水印提取两个部分水印嵌入部分中首先对音频载体信号进行分帧处理，帧的个数取决于最长的水印的长度，然后在每一帧音频中根据各个水印对应位置上的元素为其引入延时的回声；水印提取部分中首先利用功率倒谱自相关的方法对待测音频信号的每一帧中的回声进行检测，然后根据回声的延迟提取水印。本发明对在复杂的网络环境下可能遇到的各种的信号处理操作以及恶意攻击都具有很强的鲁棒性，另外水印提取过程无需原始音频载体信号的参与，因此具有较好的应用价值。文档编号G10L19/00GK101266794SQ20081003521公开日2008年9月17日申请日期2008年3月27日优先权日2008年3月27日发明者杰朱,宁陈申请人:上海交通大学