基于酉变换和抖动量化的安全音频水印方法技术

本发明专利技术提出一种基于酉变换和抖动量化的安全音频水印方法。水印嵌入首先对音频分帧，并根据要求的信噪比初值，计算能量变化量及量化长度，接着对每帧作酉变换，通过抖动量化的方法将水印嵌入到酉域的前n个系数中，并作逆变换，得水印音频帧。其中，水印比特序列和抖动序列通过随机序列生成，提高了水印的安全性。水印检测先对音频分帧，同时生成水印比特序列和抖动序列，然后对各帧作酉变换，对酉变换每帧前n个系数，以水印嵌入方法中相同的量化步长，采用抖动量化的逆过程提取水印序列，并按多数原则确定水印比特值，最后用生成的水印比特序列和确定的水印比特序列作异或运算，计算其误码率，并与设定的门限ρ比较，判断水印存在于否。本发明专利技术适合于需要鲁棒音频水印的应用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术利用酉变换能量守恒和能量变化量守恒的特性及抖动量化，结合信噪比，设计高安全的自适应音频水印方法，属于信息隐藏技术范畴。技术背景随着MPEG(MovingPicturesExpertsGroup)、MP3(MPEG-1Layer3)、AAC(AdvancedAudioCoding)、AC-3(AudioCodeNumber3)等新一代压缩标准的广泛应用，数字音频作品的使用日益广泛。同时，Internet网络和计算机软件技术的迅速发展，数字音频的编辑、再生、传输变得十分方便快捷，数字音频作品的非法复制、传播、使用等侵权行为也常常发生。在需要重播的应用中，数字水印技术成为替代密码技术的有效解决方案，具有广阔的应用前景。鲁棒性、水印容量和不可听性是音频水印三个相互矛盾的方面，在保证不可听性的前提下，尽可能的提高水印容量和鲁棒性，是设计鲁棒水印需要解决的问题。本专利技术是一种基于酉变换和抖动量化的高安全音频水印方法。
技术实现思路
为表述方便，先介绍酉变换的2个性质并证明2个定理。标记向量V＝[v1，v2，…vn]，其2范数表达式||·||2，定义为||V||2=Σi=1nvl2---(1)]]>设ai，j，ak，j，al，r是n维酉阵M的元素，M的行、列向量相互正交，即Σj=1nai,j×ak,j=1i=k0i≠k---(2)]]>Σj=1nai,j×ai,j=1j=k0j≠k---(3)]]>按定义，酉矩阵M及其转置MT间满足：M×MT＝MT×M＝I(4)其中，I表示单位矩阵。利用上述性质，可以证明酉变换的如下两个性质。性质1能量守恒性。证：||MV||22=Σi=1n(Σj=1naijvj)2=Σi=1n(Σj=1naij2vj2+2Σj≠kaifaikvjvk)]]>交换求和顺序||MV||22=Σj=1nΣi=1naij2vj2+2Σj≠kΣi=1naijaikvjvk=||V||22---(5)]]>性质2能量变化守恒性。证：设时域信号为S，酉变换域对应信号为U，即U＝MS(6)信号S受扰动后为对应的酉域变为那么||U~-U||22=||MS~-MS||22=||M(S~-S)||22=||S~-S||22---(7)]]>即||δU||22=||δS||22---(8)]]>其中公式(8)表明信号受到扰动后，其酉域能变是守恒的。设时域音频信号为S＝[s1，s2，…sn]，受到扰动后信噪比SNR可表示为SNR=10lg||S||22||S~-S||22---(9)]]>根据上述酉变换性质1和性质2，对已知的信噪比SNR0||δU||22=||δS||22=10-SNR010·||S||22---(10)]]>式(10)表明酉变换域的水印能量，与时域信号能量成正比。经典的量化方法通过试探的方法很容易破解量化长度密钥，为提高安全性，本专利技术采用了抖动量化的方法嵌入、提取水印。抖动量化的原理如式(11)Qk(s)＝q(s+dk(m)；m；Iq)-dk(m)(11)其中，s表示待量化的信号，k表示抖动序列号，m表示调制抖动量的消息，在本专利技术中指水印比特0或者1，lq表示量化长度，q(·)表示量化函数，Qk(s)表示量化后的结果，dk(m)表示抖动量，为实现水印的盲检测，本专利技术使dk(0)＝dk(1)，也就是使抖动量与消息无关，只与抖动序号相关，因此下文直接用dk表示。本专利技术的内容具体为：水印嵌入方法：(1)待嵌水印的音频分帧，并计算各帧的能量，即2范数的平方；(2)根据听觉效果要求设置的信噪比初值SNR0，按公式(10)计算酉变换域的能量变化量(3)通过随机函数发生器产生随机序列，并映射为水印比特序列和抖动序列；(4)音频信号帧作酉变换；(5)修改酉变换域系数值，嵌入水印。修改策略是将能量变化量平均地分配到帧中前N个低频系数中，方法是利用抖动量化将水印嵌入到这N个系数中；(6)作逆酉变换，音频中即包含水印信息。水印检测方法：(1)对受信号处理后的音频分帧；(2)按嵌入过程相同的方法生成水印比特序列和抖动序列；(3)各帧作酉变换，对前N个系数，以水印嵌入方法中相同的量化步长，采用抖动量化的逆过程提取水印序列，并按重复出现的次数多者作为提取的水印比特值；(4)计算步骤(2)生成的水印与步骤(3)提取的水印异或运算的误码率，并与设定的门限ρ比较，判断水印的存在于否。具体实施方式水印的嵌入过程：步骤1、对音频A＝{ai|i∈[1，N]本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于酉变换和抖动量化的安全音频水印方法，其特征在于含有下述步骤：(1)通过时域和对应的酉变换域信号能量变化相等的特性及信噪比自适应地确定水印嵌入强度；(2)通过随机函数发生器生成的随机序列同时映射生成水印比特序列和抖动序列；(3)通过计算提取的水印比特序列误码率，与设定的门限值ρ的比较来判定水印的存在与否。

【技术特征摘要】
1.基于酉变换和抖动量化的安全音频水印方法，其特征在于含有下述步骤：(1)通过时域和对应的酉变换域信号能量变化相等的特性及信噪比自适应地确定水印嵌入强度；(2)通过随机函数发生器生成的随机序列同时映射生成水印比特序列和抖动序列；(3)通过计算提取的水印比特序列误码率，与设定的门限值ρ的比较来判定水印的存在与否。2.基于酉变换和抖动量化的安全音频水印方法，其特征在于本发明利用了时域和对应的酉变换域信号能量变化相等的特性，即||δU||22=||δS||22---(1)]]>其中是水印信号时域的能量，为水印信号酉变换域的能量。3.如权利要求1所述的基于酉变换和抖动量化的安全音频水印方法，其特征在于：步骤(1)中水印能量依据信号能量和信噪比自适应确定，理论依据充分。具体为：||δU||22=||S||2210-SNR010---(...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄雄华，蒋少华，戴经国，罗忠亮，范勇，蔡春晓，
申请(专利权)人：韶关学院，桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44