基于听觉特性与整型提升小波的数字音频水印嵌入与检测方法技术

一种基于听觉特性与整型提升小波的数字音频水印嵌入与检测方法，其特征在于包括如下具体步骤：　　　　设原始数字音频信号为Ａ＝｛ａ（ｉ），０≤ｉ＜Ｎ｝，其中，Ｎ为数据个数，ａ（ｉ）∈｛０，１，２，Λ，（２↑［ｐ］－１）｝是第ｉ个音频数据的幅度值，ｐ为表示每个数据所使用的比特数；　　　　设数字水印为２５６级灰度图像（或２４位真彩色图像）Ｗ＝｛ｗ（ｉ，ｊ），０≤ｉ＜Ｐ，０≤ｊ＜Ｑ｝，其中，ｗ（ｉ，ｊ）代表数字水印图像的第ｉ行、第ｊ列象素的灰度值（或颜色值）；　　　　数字水印的嵌入过程为：　　　　（１）数字水印图像的压缩编码与置乱加密　　　　当数字水印为２５６级灰度图像时，数字水印图像的压缩编码与置乱加密过程为：　　　　　首先采用ＤＣＴ（离散余弦变换）静态图像压缩技术，将数字水印图像Ｗ编码为一维的二进制序列Ｖ，工作步骤为：　　　　（ａ）将数字水印图像（灰度图像）Ｗ划分成８×８的图像子块；　　　　　（ｂ）对每个图像子块进行ＤＣＴ变换，并量化所得到的ＤＣＴ系数；　　　　于是，可得到压缩编码后的一维二进制序列　　　　Ｖ＝｛ｖ（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］，ｖ（ｋ）∈｛０，１｝，Ｎ↓［ｗ］＝１５（Ｐ×Ｑ）／１６｝；　　　　其中：Ｎ↓［ｗ］＝Ｐ×Ｑ／８×８×（（１＋４）×８＋５×４）＝１５（Ｐ×Ｑ）／１６；　　　　然后对上面得到的一维二进制序列Ｖ进行置乱加密，得到新的一维二进制序列Ｘ＝｛ｘ（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］，ｘ（ｋ）∈｛０，１｝｝；　　　　注：当数字水印为２４位真彩色图像时，数字水印图像的压缩编码与置乱加密过程为：　　　　（ａ）将彩色水印图像Ｗ分解为Ｒ、Ｇ、Ｂ三个彩色分量；　　　　（ｂ）将彩色分量Ｒ划分成８×８的子块；　　　　（ｃ）对每个子块进行ＤＣＴ变换，并量化所得到的ＤＣＴ系数；　　　　于是，可得到压缩编码后的一维二进制序列　　　　Ｖ↓［Ｒ］＝｛ｖ↑［Ｒ］（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ′↓［ｗ］，ｖ↑［Ｒ］（ｋ）∈｛０，１｝，Ｎ′↓［ｗ］＝１５（Ｐ×Ｑ）／１６｝；　　　　这里，Ｎ′↓［ｗ］＝Ｐ×Ｑ／８×８×（（１＋４）×８＋５×４）＝１５（Ｐ×Ｑ）／１６；　　　　　（ｄ）对于彩色分量Ｇ、Ｂ实施步骤（ｂ）和（ｃ）的相同操作，即可得到彩色水印图像Ｗ的压缩编码后一维二进制序列Ｖ＝｛ｖ（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］，Ｎ↓［ｗ］＝３Ｎ′↓［ｗ］，ｖ（ｋ）∈｛０，１｝｝；　　　　对上面得到的一维二进制序列Ｖ进行置乱加密，得到新的一维二进制序列Ｘ＝｛ｘ（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］，ｘ（ｋ）∈｛０，１｝｝；　　　　（２）音频信号的分段处理及重要音频段的自适应选取　　　　采用对数字音频信号进行分段的方法嵌入水印信息，即首先将整个音频信号划分为若干个音频数据段，进而依据人类听觉系统（ＨＡＳ）自适应选取重要音频数据段用于嵌入水印，每个音频段仅嵌入１个比特的水印信息；　　　　设每个音频段含有Ｌ个数据，为了保证数字水印的透明性与鲁棒性，音频段长度Ｌ的取值以大于等于８为宜，则可将整个音频信号划分成Ｎ／Ｌ个音频段，即　　　　Ａ＝｛Ａ（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ／Ｌ｝，Ａ（ｋ）＝｛ａ（ｋＬ＋ｉ），０≤ｉ＜Ｌ｝；　　　　根据听觉时域掩蔽特性，结合音频信号内容选取能量较大的音频段作为水印嵌入的候选段；　　　　下面给出基于内容的听觉重要音频段自适应选取方法；　　　　首先，计算每个音频段的样本能量Ｅ（ｋ）（０≤ｋ＜Ｎ／Ｌ）：　　　　Ｅ（ｋ）＝＊ａ↑［２］（ｋＬ＋ｉ）　　　　然后，对所求取的Ｎ／Ｌ个音频段样本能量值进行降序排序，并选择能量较大的前Ｎ↓［ｗ］个音频段Ａ↓［ｅ］＝｛Ａ↓［ｅ］（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］｝作为水印嵌入的候选段；　　　　（３）整型提升小波变换及小波系数的选取　　　　对所选取的每个音频数据段Ａ↓［ｅ］（ｋ）（０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］）分别进行３级整型提升小波变换（ＩＬＷＴ）　　　　ＣＤ↓［ｅ］（ｋ）＝ＩＬＷＴ↓［３］（Ａ↓［ｅ］（ｋ））＝｛Ｃ↓［ｅ］（ｋ）（３），Ｄ↓［ｅ］（ｋ）（３），Ｄ↓［ｅ］（ｋ）（２），Ｄ↓［ｅ］（ｋ）（１）｝　　　　式中，Ｃ↓［ｅ］（ｋ）（３）为第ｋ音频段Ａ↓［ｅ］（ｋ）３级小波变换后的逼近信号，而｛Ｄ↓［ｅ］（ｋ）（３），Ｄ↓［ｅ］（ｋ）（２），Ｄ↓［ｅ］（ｋ）（１）｝为第ｋ音频段Ａ↓［ｅ］（ｋ）３级小波变换后的细节信号；　　　　根据人类听觉系统（ＨＡＳ）的频域掩蔽特性，本算法从第ｋ音频段Ａ↓［ｅ］（ｋ）３级小波变换细节信号Ｄ↓［ｅ］（ｋ）（３）中选取绝对值大的小波系数（听觉重要系数）Ｃ（ｋ）用于水印序列元素ｘ（ｋ）的嵌入；　　　　（４）数字水印的嵌入　　　　水印嵌入是通过对所选择的小波系数Ｃ（ｋ）进行特殊量化完成的；设Ｃ（ｋ）表示待量化小波系数，Ｃ′（ｋ）表示量化处理后的小波系数，ｘ（ｋ）为待嵌入水印比特，Δ表示量化间隔；将量化间隔选取为基于人类听觉系统而计算出的可感知噪声阈值（ＪＮＤ），即Δ＝ＪＮＤ（Ｃ（ｋ））；　　　　则量化修改系数嵌入数字水印过程（步骤）如下：　　　　首先定义量化规则，将量化函数定义为用量化间隔ＪＮＤ（Ｃ（ｋ））对待量化小波系数Ｃ（ｋ）进行二次取模求余运算，即　　　　Ｑ（Ｃ（ｋ））＝［Ｃ（ｋ）ｍｏｄ（ＪＮＤ（Ｃ（ｋ））］ｍｏｄ（２）　　　　其量化规则为：如果Ｃ（ｋ）ｍｏｄ（ＪＮＤ（Ｃ（ｋ））为奇数，则Ｑ（Ｃ（ｋ））取１，即Ｃ（ｋ）归于１类；如果Ｃ（ｋ）ｍｏｄ（ＪＮＤ（Ｃ（ｋ））为偶数，则Ｑ（Ｃ（ｋ））取０，即Ｃ（ｋ）归于０类；　　　　然后量化系数嵌入水印信息，即对所选小波系数Ｃ（ｋ）进行适当修改并赋予二值信息的过程，所采用的量化嵌入方案为：　　　　如果Ｑ（Ｃ（ｋ））不等于ｘ（ｋ），则　　　　如果ｘ（ｋ）＝０，则　　　　＊＊＊；　　　　否则　　　　＊＊＊；　　　　否则　　　　不对Ｃ（ｋ）做任何处理；　　　　其中，ｑ↓［１］＝［Ｃ（ｋ）／ＪＮＤ（Ｃ（ｋ））］，ｑ↓［２］＝［Ｃ（ｋ）／ＪＮＤ（Ｃ（ｋ））］　　　　（５）整型提升小波逆变换及音频段的重新组合　　　　为了得到含水印的数字音频信号，要对含有水印信息的小波系数进行３级整型提升小波逆变换，即用含有水印信息的小波系数Ｃ′（ｋ）代替Ｃ（ｋ）并对小波系数ＣＤ′↓［ｅ］进行３级整型提升小波逆变换（Ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｉｎｔｅｇｅｒ　Ｌｉｆｔｉｎｇ　Ｗａｖｅｌｅｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ⅡＬＷＴ），即　　　　Ａ′↓［ｅ］＝ⅡＬＷＴ↓［３］（ＣＤ′↓［ｅ］）　　　　将Ａ′↓［ｅ］代替Ａ↓［ｅ］，再结合未被选用（嵌入水印）的音频数据段，即可最终得到含有水印的数字音频信号Ａ′；　　　　数字水印的检测过程如下：　　　　（１）将待检测数字音频信号Ａ′划分成Ｎ／Ｌ个音频段（每个音频段含有Ｌ个数据），根据水印嵌入过程所生成的候选段位置信息选择听觉重要音频数据段Ａ′↓［ｅ］＝｛Ａ′↓［ｅ］（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］｝并对其分别进行３级整型提升小波变换（采纳嵌入过程所使用的小波基）；　　　　　（２）根据嵌入水印过程中所生成的用于嵌入水印的小波系数位置信息，确定出含有水印序列元素ｘ′（ｋ）信息的小波系数Ｃ′（ｋ）（ｋ＝０，１，Λ，Ｎ↓［ｗ］－１），并利用前面所定义的量化规则提取水印，即　　　　＊＊＊　　　　（３）按照数字水印嵌入算法的相反操作，对数字水印信息Ｘ′进行逆置乱加密，以得到原始水印的一维二进制序列Ｖ′＝｛ｖ′（ｋ），０≤ｋ＜Ｎ↓［ｗ］，ｖ′（ｋ）∈｛０，１｝｝；　　　　（４）对所得到的一维二进制序列Ｖ′进行解压缩，便可恢复嵌入的数字水印图像Ｗ′＝｛ｗ′（ｉ，ｊ），０≤ｉ＜Ｐ，０≤ｊ＜Ｑ｝。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王向阳，
申请(专利权)人：王向阳，
类型：发明
国别省市：