基于嵌入区域选择的音频水印方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于嵌入区域选择的音频水印方法及系统，嵌入过程包括读取音频文件，先对每帧信号进行是否能够作为嵌入区域的判断，然后进行音频水印的嵌入频率段的选择；进行离散傅立叶变换，生成二进制伪随机的扩频序列，进行水印的嵌入，变换到时域；检测过程包括读取待检测的音频文件，对每帧信号进行是否能够作为嵌入区域的判断，计算检测范围的起始点和频域结束点，进行离散傅立叶变换生成二进制伪随机的扩频序列，计算出检测的充分统计量，获得检测到的水印比特。本发明专利技术提出了通过帧内最大能量与最小能量比来滤除瞬态信号提升水印检测的准确率，通过将水印嵌入在人耳感知显著的频段来提升水印的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数字音频水印
，尤其涉及基于嵌入区域选择的音频水印方法及系统。
技术介绍
数字音频水印是向音频信号中添加某些数字信息以达到文件真伪鉴别、版权保护、信息隐藏等目的的信号处理操作。音频水印嵌入区域的选择技术是指在水印嵌入到音频信号之前，选择合适音频区域嵌入水印。传统音频水印技术，没有考虑到音频信号的特征，对整个音频文件都进行水印的嵌入，这样会导致1)音频信号幅度低的区域嵌入水印后，幅值超出了掩蔽阈值产生噪音，破坏了感知透明性；2)对于音频信号中出现变化剧烈的瞬态信号，该区域的音频信号的方差很大，嵌入水印后导致检测水印时的水印误码率很高；3)在频域嵌入水印，如果选择人耳感知不显著的区域嵌入水印，在经过信号处理或音频有损压缩后，水印将会丢失一部分，导致水印检测误码率高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供选择区域嵌入的音频水印技术，使水印能够嵌入到合适的音频区域中去，避免出现不必要的噪声以及减少误码的发生。为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案提供一种基于嵌入区域选择的音频水印方法，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xn，帧长为N，先对每帧信号xn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xn，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xn，进行离散傅立叶变换得到频域信号Xn；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Xn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|＝|Xn|+bαu其中，α为常数，控制水印的嵌入强度，|Xn|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其中，∠Xn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zn和采样率fs2，先对每帧信号xn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xn，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freqmax2freqmin2＝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Zn，相应频域幅度值记为|Zn|；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|Zn|，计算出检测的充分统计量rn如下，如果充分统计量rn≥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。而且，步骤A1和步骤B1中，对每帧信号xn进行是否能够作为嵌入区域的判断，实现方式如下，1)信号xn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xn内包含瞬态信号，则不允许嵌入水印。而且，信号xn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。本专利技术还相应提供一种基于嵌入区域选择的音频水印系统，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xn，帧长为N，先对每帧信号xn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xn，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xn，进行离散傅立叶变换得到频域信号Xn；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Xn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|＝|Xn|+bαu其中，α为常数，控制水印的嵌入强度，|Xn|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其中，∠Xn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zn和采样率fs2，先对每帧信号xn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xn，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freqmax2freqmin2＝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Zn，相应频域幅度值记为|Zn|；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|Zn|，计算出检测的充分统计量rn如下，如果充分统计量rn≥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。而且，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xn进行是否能够作为嵌入区域的判断，实现方式如下，1)信号xn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xn内包含瞬态信号，则不允许嵌入水印。而且，信号xn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和本文档来自技高网...

【技术保护点】
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xn，帧长为N，先对每帧信号xn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xn，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xn，进行离散傅立叶变换得到频域信号Xn；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Xn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|＝|Xn|+bαu其中，α为常数，控制水印的嵌入强度，|Xn|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Xn′=|Xn′|ej∠Xn]]>其中，∠Xn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zn和采样率fs2，先对每帧信号xn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xn，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freqmax2freqmin2＝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Zn，相应频域幅度值记为|Zn|；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|Zn|，计算出检测的充分统计量rn如下，rn=<u,|Zn|><u,u>]]>如果充分统计量rn≥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。...

【技术特征摘要】
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xn，帧长为N，先对每帧信号xn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xn，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xn，进行离散傅立叶变换得到频域信号Xn；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Xn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|＝|Xn|+bαu其中，α为常数，控制水印的嵌入强度，|Xn|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Xn′=|Xn′|ej∠Xn]]>其中，∠Xn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zn和采样率fs2，先对每帧信号xn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xn，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freqmax2freqmin2＝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Zn，相应频域幅度值记为|Zn|；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|Zn|，计算出检测的充分统计量rn如下，rn=<u,|Zn|><u,u>]]>如果充分统计量rn≥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xn进行是否能够作为嵌入区域的判断，实现方式如下，1)信号xn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xn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xn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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈怡，高戈，张康，吕冰，刘影，
申请(专利权)人：华中师范大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42