基于混沌和小波变换的音频水印嵌入、提取方法技术

基于混沌和小波变换的音频水印嵌入方法，包括以下步骤：步骤1，对水印预处理，1)二值水印置乱；2)二值水印加密；步骤2，将鲁棒性水印和脆弱性水印分别嵌入小波域的低频和高频中；基于混沌和小波变换的音频水印提取方法，包括以下步骤：首先，对含有水印的音频信号进行小波分解，找出低频或高频分量中小于原先设定阈值的音频元素所对应的位置，再进行一维类噪声提取操作；其次，对提取得到的类噪声图像进行升维转换为二维图像格式，转换为加密图像；最后，加密图像进行混沌解密和Arnold逆变换，得到嵌入水印；具有隐蔽性强、稳健性高、易检验出攻击的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于混沌和小波变换的音频水印嵌入、提取方法
本专利技术属于音频水印嵌入
，具体涉及基于混沌和小波变换的音频水印嵌入、提取方法。
技术介绍
数字水印是指利用多媒体数据的冗余性和随机性，将某些代表特殊版权的数字信息嵌入到数字作品中，同时又不影响原始数字作品的使用价值。另一方面在需要时又可以通过提取算法，从数字作品中检测和提取出水印，从而可以检测数字作品的完整性和保护其版权的一种新兴技术。其于近20年的发展历程中，研究者们对该技术的研究逐渐走向成熟。1990年发表了第一篇关于图像水印的文章。1995年以后，数字水印技术得到了广泛关注且得到了较快的发展。最低比特位LSB水印嵌入算法是早期较为经典的一类算法，是把每个采样点的最低有效位用一个水印比特代替，可以把大量的数据植入到音频信号中。Cvejic等人利用HAS中的时域掩蔽现象将基于扩频的水印嵌入到未压缩的原始音频数据中。Swanson等人通过直接修改音频样本来嵌入版权保护信息。Liu等人通过对正弦波引入小的频率偏移提出了一种对非轮唱音乐的音频水印算法。值得注意的是，嵌入数字多媒体文件中的信息必须满足隐蔽性、鲁棒性、密钥唯一性、检测可靠性这四类基本特性才能成为水印。快速更新的移动通讯设备和多媒体技术，更加智能的计算机网络，使得数字多媒体的应用取得惊人的进展。越来越多的多媒体文件通过网络进行传输。数字媒体相比于模拟媒体有诸多优点，如数字信号易于编辑，复制简单，不易失真，易于通过电子或物理的系统低价高速的传输和分配等。一方面正因为上述数字媒体的优点，其可反作用于计算机技术和计算机网络，使相关诸多技术得到进一步深化发展。另一方面带来了一个新的问题，即对数字多媒体在网络传输过程中版权的保护。在如今大数据背景下，任何一种可以传输的数字多媒体作品均会有自己的版权。然而多媒体文件易于在网络上传输的特性，造成了其会受到非法拷贝的风险，那么作品背后的知识产权就越容易被侵害。如果只是单纯的使用传统算法对多媒体文件进行加密，一旦解密，则无保护可言。另一方面，传统密码学中的认证方法对多媒体数据并不适用，这是因为一定范围的失真不会影响多媒体数据所表达的信息，但传统密码学的认证方法却不允许任何比特的不同[2]。为了解决这一问题，新兴的水印技术就是应对多媒体版权保护的需要提出的，水印分为脆弱性水印和鲁棒性水印两种。并且水印嵌入后不会影响原音频作品的质量，将不同类型的水印嵌入数字作品中，以此达到保护作品版权、保证作品完整性的目的。音频作为数字多媒体信息重要的一类，其应用范围十分广泛，在军事、教育、银行、办公等均有涉及。鉴于音频信号在多媒体数据中的重要地位，对音频数据的版权保护更不容忽视。如今单水印嵌入音频版权保护算法已不足以抵抗攻击。因此，探讨一个高安全级别的音频水印版权保护算法成为一个重要的研究课题。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供基于混沌和小波变换的音频水印嵌入、提取方法，具有隐蔽性强、稳健性高、易检验出攻击的特点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于混沌和小波变换的音频水印嵌入方法，包括以下步骤：步骤1，对水印预处理，本步骤包括：1)二值水印置乱采用图像置乱的Arnold变换法，对水印图像矩阵中的像素点进行线性的变换，获得置乱后的水印加密图像，具体做法是：设图像为S＝[0,1]×[0,1],(x,y)∈S，令即为Arnold变换表达式，若利用Arnold变换对一幅图像做置乱处理时，实际上，可以令离散图像的x,y∈{0,1,2,L,N-1}，则此时Arnold变换可改写为式中：(x,y)为原二值水印图像像素坐标，经过Arnold变换后，(x’,y’)为对应像素点的新坐标，以此达到图像置乱目的；2)二值水印加密对置乱后的水印图像进行Logistic混沌加密操作，具体做法是：将置乱后的图像经过Logistic混沌映射得到最终的加密水印，与Logistic映射相似，定义状态变量xk∈(0,1)，k为迭代次数，参数控制μ∈[0,4]，混沌域为(0,1)；步骤2，将鲁棒性水印和脆弱性水印分别嵌入小波域的低频和高频中，具体做法是：1)将经过加密的二值水印降维由于水印为二维信号，音频为一维信号，因此，将水印降维成qbit的一维信号，X＝{x(i),0＜i≤q,x(i)∈[0,1]}(1-4)2)对音频进行N级Haar小波分解对音频进行3级Haar小波分解，选择高频分量D3、低频分量A3为水印嵌入对象，设原音频长度为L，则高频分量d1长度为L/2，d2长度为L/4，d3长度为L/8(低频分量同理)；3)设定阈值S1,S2嵌入水印；阈值S1,S2的计算方法为：低(高)频分量信号幅值绝对值的最大值X乘以相应的权衡系数p1,p2；选择小于阈值的信号作为水印嵌入部分，即可以均匀的将水印嵌入音频中。s＝p*max(abs(X))(1-5)所述的水印图像均为90×90的二值图像。即分别将脆弱性水印和鲁棒性水印嵌入到三级小波分解的高频分量D3和低频分量中A3。基于混沌和小波变换的音频水印提取方法，包括以下步骤：首先，对含有水印的音频信号进行小波分解，提取小波域内的低频分量A3和高频分量D3，按照嵌入水印设定的阈值S1,S2找出鲁棒性水印和脆弱性水印嵌入位置，提取出鲁棒性水印和脆弱性水印的一维含噪声信号，再对含噪声的一维信号进行去噪声处理。其次，对提取得到的一维信号进行升维转换为二维图像格式(利用MATLAB语句)，转换为加密图像；最后，加密图像使用对应的解密密钥进行混沌解密和Arnold逆变换，得到嵌入的双水印。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，由于单水印的局限性，本专利技术的水印图像置乱变换仅仅是取消了图像像素间的空间相关性，并未对图像信息本身进行保护。因此在对水印图像置乱后，再对其进行Logistic混沌加密操作。使得最终的水印图像呈现噪声特性，攻击者再对音频进行信号处理攻击操作时，容易将水印视为噪声而放弃破坏水印行为，从而加强了水印的安全性。由于本专利技术采用的水印图像均为90×90的二值图像，若水印图像过大，对音频修改也就越大，容易被察觉而受到篡改者的攻击；若水印图像过小，则容易受到噪声的干扰，影响水印提取过程的完整性。因此本专利技术的方法不容易被觉察，不易受到篡改者的攻击。本专利技术采用了鲁棒性嵌入低频分量中、脆弱性水印嵌入高频分量，因为低频分量含有原音频大部分能量，将鲁棒性水印嵌入低频分量中不易被篡改，从而保护了水印的安全性。而音频的高频信号为音频的细节分量，当受到攻击时，高频分量首先会被修改甚至消除，如在压缩过程中高频分量将被提取剩下低频分量。将脆弱性水印嵌入高频分量后，音频只要一经修改或受到攻击，脆弱性水印即会发生变化，版权所有者便会发现自己的版权受到侵害。由于选择小于阈值的信号作为水印嵌入部分，可以均匀的将水印嵌入音频中，而非传统算法直接选取信号的某一部分将水印连续嵌入其中，阈值控制嵌入位置，更加消除了水印图像像素间的相关性。本专利技术能够将两个水印成功的嵌入到相应的音频信号中，人耳未听出嵌入水印前后明显的差别；并且提取出的水印与原嵌入水印完全一致。因此，该算法在保护音频版权具有一定的实用性。由于单水印的局限性，所提算法为双水印嵌入保护音频版权。其中，鲁棒性水印用于版权本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于混沌和小波变换的音频水印嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对水印预处理，本步骤包括：1)二值水印置乱采用图像置乱的Arnold变换法，对水印图像矩阵中的像素点进行线性的变换，获得置乱后的水印加密图像，具体做法是：设图像为S＝[0,1]×[0,1],(x,y)∈S，令

【技术特征摘要】
1.基于混沌和小波变换的音频水印嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对水印预处理，本步骤包括：1)二值水印置乱采用图像置乱的Arnold变换法，对水印图像矩阵中的像素点进行线性的变换，获得置乱后的水印加密图像，具体做法是：设图像为S＝[0,1]×[0,1],(x,y)∈S，令即为Arnold变换表达式，若利用Arnold变换对一幅图像做置乱处理时，实际上，可以令离散图像的x,y∈{0,1,2,L,N-1}，则此时Arnold变换可改写为式中：(x,y)为原二值水印图像像素坐标，经过Arnold变换后，(x’,y’)为对应像素点的新坐标，以此达到图像置乱目的；2)二值水印加密对置乱后的水印图像进行Logistic混沌加密操作，具体做法是：将置乱后的图像经过Logistic混沌映射得到最终的加密水印，与Logistic映射相似，定义状态变量xk∈(0,1)，k为迭代次数，参数控制μ∈[0,4]，混沌域为(0,1)；步骤2，将鲁棒性水印和脆弱性水印分别嵌入小波域的低频和高频中，具体做法是：1)将经过加密的二值水印降维由于水印为二维信号，音频为一维信号，因此，将水印降维成qbit的一维信号，X＝{x(i),0＜i≤q,x(i)...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏雅娟，刘意先，任方，范九伦，郑茗化，焦瑞芳，杨磊，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61