专利名称：一种基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法
技术领域：
本发明涉及一种可逆音频水印的嵌入和提取方法，特别涉及一种基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法。
背景技术：
数字信息革命给人类的社会和生活带来了深刻的变化，同时也带来了新的挑战和创新机遇。数字多媒体作品的可完美复制和世界范围内几乎不需要代价的分发，使数字版权保护及内容完整性验证等安全问题成为迫切需要解决的问题。数字水印将一些信息隐藏在数字图像、视频或者音频信号中，已经成为一种保护数字媒体内容安全的有效手段。在现有的大多数数字水印方法中，由于水印信号的引入，宿主媒体会被永久的改变并无法还原到嵌入水印前的状态。虽然水印引入的失真通常很小并不容易被人的感知系统所察觉，但在一些对数据保真度要求极高的特殊领域中，如医学诊断图像、卫星遥感图像或者法律证据图像等，任何微小的失真都是不被允许的。因此数字水印技术在这些领域的应用受到了很大的限制。为了解决该问题，人们提出了可逆数字水印的概念，这种水印方案可以保证在提取端将宿主媒体精确还原到其未被嵌入水印时的原始状态。自从1997年Barton第一次提出可逆水印的概念以来，近年来已有学者提出一些可逆水印算法。已有的算法基本上包括两种方式，即在空域上嵌入和在频域上嵌入，由于在空域上嵌入可逆水印，实现相对简单，嵌入容量大，从而成为最近研究的热点，空域上的不可见可逆水印主要分为三类基于压缩、基于差值扩展和基于直方图修改。基于压缩的可逆水印主要策略是采用无损压缩算法对人体感官不易察觉的部分进行压缩以腾出空间来嵌入水印。例如，Fridrich(J. Fridrich, J. Golian, and R. Du. Invertible authentication[A]. In SPIE Proc. of Security and Watermarking of Multimedia Content. 2002 :197-208)等人针对图像载体，通过对图像的最低有效位(Least Significant Bit, LSB)进行压缩，然后将压缩后的LSB数据和水印数据一起嵌入到新图像的LSB中，从而实现了可逆图像水印算法。该方法的弱点在于其水印的嵌入容量非常有限，且完全依赖于无损压缩算法的压缩效率。基于差值扩展的可逆水印主要策略是， 利用载体信号内容存在相关性，即相邻载体单元(如图像的像素、音频的采样值等)具有相近的值，因而它们的差值比较小，通过扩展差值来将额外的数据嵌入其中。Tian(J. Tian. Reversible data embedding using a difference expansion[J]. IEEE Trans. Circuits Systems and Video Technology. 2003,13(8) :890-896)第一次提出了基于差值扩展(Difference Expansion, DE)的可逆图像水印，其正是利用相邻像素之间的关联性，扩展相邻像素之间的差值并在其LSB中嵌入水印信息。该方法相比已有的算法来说提高了水印的嵌入容量且降低了图像的失真，但其附加信息所占的空间仍然比较大， 像素间的冗余性也没有得到充分的发掘。基于直方图修改的可逆水印主要策略是，利用载体单元的统计特征，在载体单元或其差值的直方图上进行修改和移动来嵌入水印，该方法最早有 Vleeschouwer (C. D. Vleeschouwer, J. F. Delaigle, and B. Macq. Circularinterpretation of bijective transformations in lossless watermarking for media asset management [J]. IEEE Trans. Multimedia. 2003, 5 (1) :97-105) 入 出，ftkilil· 动图像的像素直方图峰值点两侧的像素以空出位置来在峰值点进行水印嵌入。该方法相比已有算法也提高了水印容量和图像质量，但仍有提高的空间。基于音频载体的可逆水印技术是在可逆图像水印的基础上发展而来的，目前可逆音频水印领域仅有3篇相关论文发表。Van der Veen(Michiel van der Veen, Fons Bruekers, Arnovan Lesst and Stephane Cavin,"High capacity reversible watermarking for audio，，，Security and Watermarking of Multimedia V(SPIE), vol. 5020, pp. 1-11，Santa Clara, CA, USA, July 2003)等人提出了基于压缩扩展技术的可逆音频水印，该方法通过压缩音频采样值并对压缩后的采样值进行移位以空出末尾的比特位来嵌入水印和压缩后的信息，其嵌入率接近lbit/sample，但其容量仍受到压缩算法的影响，具有提升的空间。Bradley和Alattar (Brett Bradley and Adnan Μ· Alattar,，，High-capacity, invertible. data-hiding algorithm for digital audio，，， Security, Stenography, and Watermarking of Multime dia contents VII (SPIE), Vol. 5681，pp. 789-800，San Jose, CA, USA, January 2005)提出了一种基于泛化可逆整数变换(Generalized，Reversible, Integer Transform, GRIT)的可逆音频水印算法，该方法将采样值序列划分成由N(N = 2,3,……)个采样值组成的块，通过扩展块内差值来嵌入水印，其水印嵌入率接近lbit/sample，缺点在于采样值之间的冗余性没有得到充分的发掘，嵌入容量有待进一步提高。Yan 禾Π Wang(Diqun Yan and Rangding Wang, "Reversible data hiding for audio based on prediction error expansion", iihmsp, pp. 249-252, 2008International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing, August 2008.)提出了一种基于预测误差扩展(Prediction-Error Expansion,PEE)的可逆音频水印算法，该方法利用当前采样值前面的三个采样值来预测当前值，然后通过扩展真实值与预测值之间的预测误差来嵌入水印，其附加信息采用位置图来处理，因而附加信息所占的空间较大，造成水印容量的减少。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，该方法使用双向预测提高预测精度，更好的发掘采样值之间的冗余性，利用泛化扩展嵌入水印能一次嵌入η个比特水印，大大提高水印的单次嵌入容量，同时利用边界表来处理附加信息减少其所占用的空间，进一步提高水印的有效嵌入容量。本方法在引入较少失真的情况下能嵌入大量的水印。本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印算法，包含双向预测、泛化扩展、水印嵌入过程、水印提取和音频恢复过程；双向预测是指利用当前采样值的前后各一个采样值来预测当前值；泛化扩展是指对预测误差进行扩展并用预测误差末尾的η个比特位来嵌入水印；水印嵌入之前，利用双向预测计算预测误差并得到预测误差直方图，根据水印容量和η值计算阈值T、LA和LBM ；水印嵌入过程中， 利用泛化扩展嵌入水印，同时构造边界表并将提取的前LA个采样值末尾的η比特数据作为还原信息嵌入；接着将LBM、T和边界表转换成2n进制数据并用转换后的数据替换掉当前块的前LA个采样值末尾的η比特数据，最终得到含水印音频；在水印提取和音频恢复过程中， 同样利用双向预测和泛化扩展，通过水印嵌入方法的逆运算对水印进行提取并无损恢复原
始音频。所述的水印嵌入过程如下a.将音频分为两块=S1和&，利用双向预测计算当前块预测误差并得到预测误差直方图；b.通过预测误差直方图、原始音频、预置的水印嵌入容量以及η值计算LBM、阈值 T 禾口 LA ；C.逐一对音频采样值进行类型判断，根据采样值类型进行泛化扩展以嵌入水印或移动采样值，同时构造边界表；d.若遍历过的采样值个数i ( LA，每遍历一个采样值则提取该采样值尾部的η个比特数据并放到待嵌入信息的尾部以备将来作为还原信息嵌入；e.在当前块水印嵌入完成后，将LBM、T和边界表转换成2"进制数据并用转换后的数据替换掉当前块的前LA个采样值末尾的η比特数据。f.当S1和&均处理完毕后得到含水印的S/，由第一个和最后一个采样值、S/组成含水印音频。所述对水印进行提取并无损恢复原始音频的过程如下a.将音频分为两块S/，利用双向预测计算预测误差并得到预测误差直方图；b.根据η值提取LBM并计算得到LA，然后提取T和边界表，将边界表转换成二进制串；c.循环利用泛化扩展逆序提取信息，直到提取出的信息为水印结束标记为止；d.从水印结束标记所在的音频采样值开始逆序逐一处理音频采样值，通过判断当前采样值Xi落入的取值范围以及边界表的辅助，对伪边界值和非边界值利用泛化扩展的逆运算提取信息并恢复原始采样值，对真实边界值不作处理；e.若提取的信息个数num<LA，每提取出一个信息则用该信息替换掉当前块的第 LA-num+1个采样值末尾的η比特数据；若num > LA，则提取出的信息为水印信息需保存。f.在当前块水印提取和音频恢复完成后，若所有块均处理完毕，则方法结束，否则进行下一块的处理。最后将恢复的音频采样值块S1和&与第一个和最后一个采样值组成恢复音频。在所述的双向预测过程中，对于当前采样值Xi，它的前后各一个采样值分别为χ" 和Xi+1, Xi的预测值PXi按如下公式计算
权利要求
1.一种基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，其特征在于包含双向预测、 泛化扩展、水印嵌入过程、水印提取和音频恢复过程；双向预测是指利用当前采样值的前后各一个采样值来预测当前值；泛化扩展是指对预测误差进行扩展并用预测误差末尾的η个比特位来嵌入水印；水印嵌入之前，利用双向预测计算预测误差并得到预测误差直方图，根据水印容量和η值计算阈值T、LA和LBM;在嵌入过程中，利用泛化扩展嵌入水印，同时构造边界表并将提取的前LA个采样值末尾的η比特数据作为还原信息嵌入；接着将LBM、T和边界表转换成2n进制数据并用转换后的数据替换掉当前块的前LA个采样值末尾的η比特数据，最终得到含水印音频；在水印提取和音频恢复过程中，同样利用双向预测和泛化扩展， 通过水印嵌入方法的逆运算对水印进行提取并无损恢复原始音频；所述的水印嵌入过程如下a.将音频分为两块=S1和S2,利用双向预测计算当前块预测误差并得到预测误差直方图；b.通过预测误差直方图、原始音频、预置的水印嵌入容量以及η值计算LBM、阈值T和LA ；c.逐一对音频采样值进行类型判断，根据采样值类型进行泛化扩展以嵌入水印或移动采样值，同时构造边界表；d.若遍历过的采样值个数i< LA，每遍历一个采样值则提取其尾部的η个比特数据并放到待嵌入信息的尾部以备将来作为还原信息嵌入；e.在当前块水印嵌入完成后，将LBM、T和边界表等附加信息转换成2"进制数据并用转换后的数据替换掉当前块的前LA个采样值末尾的η比特数据；f.当S1和S2均处理完毕后得到含水印的S/和S2'，由第一个和最后一个采样值、 S1'和S2'组成含水印音频；所述对水印进行提取并无损恢复原始音频的过程如下a.将音频分为两块S/和S2'，利用双向预测计算预测误差并得到预测误差直方图；b.根据η值提取LBM并计算得到LA，然后提取阈值T和边界表，将边界表转换成二进制串；c.循环利用泛化扩展逆序提取信息，直到提取出的信息为水印结束标记为止；d.从水印结束标记所在的音频采样值开始逆序逐一处理音频采样值，通过判断当前采样值Xi落入的取值范围以及边界表的辅助，对伪边界值和非边界值利用泛化扩展的逆运算提取信息并恢复原始采样值，对真实边界值不作处理；e.若提取的信息个数num<LA，每提取出一个信息则用提取的信息替换掉当前块的第 LA-num+1个采样值末尾的η比特数据；若num > LA,则提取出的信息为水印信息需保存；f.在当前块水印提取和音频恢复完成后，若所有块均处理完毕，则方法结束，否则进行下一块的处理；最后将恢复的音频采样值块S1和S2与第一个和最后一个采样值组成恢复音频。
2.根据权利要求1所述的基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，其特征在于在所述的双向预测过程中，对于当前采样值Xi，它的前后各一个采样值分别为Xp1和 xi+1，Xi的预测值PXi按如下公式计算
3.根据权利要求1所述的基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，其特征在于在所述的水印嵌入时的泛化扩展过程中，对于当前采样值&所对应的预测误差Pei,其扩展和嵌入水印(b)n的方法如下
4.根据权利要求1所述的基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，其特征在于所述的水印提取时的泛化扩展过程中，对于当前采样值Xi所对应的预测误差Peei,其提取水印(b)n的方法如下
5.根据权利要求3所述的基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，其特征在于在所述的水印嵌入过程中所使用的边界表，其构造过程如下 对当前采样值Xi所对应的预测误差Pei,(步骤1)若对Pei按照( 进行扩展嵌入水印后，得到的含水印音频采样值元满足条件(6)，则在边界表中标识“0”代表Xi为原始边界值，且不对Xi进行任何处理并保持其原值不变；
6.根据权利要求5所述的基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，其特征在于在所述水印的嵌入和提取过程中用到的参数LBM的值为原始采样值中落入取值范围 ⑶的采样值个数，T为根据预置的水印嵌入容量Capacity和η值计算得到的可扩展预测误差的阈值，即最大值，T需满足(9)其中，PEnum为落入取值范围IpeiI≤T的预测误差个数，BS为落入取值范围IpeiI≤T中的真实边界值个数，LA表示所有附加信息占用的空间大小，附加信息包括LBM、T、边界表、1比特的边界表结束标记和η比特水印结束标记；LA的计算公式为
全文摘要
基于双向预测和泛化扩展的可逆音频水印方法，包括双向预测，指利用当前采样值前后各一个采样值来预测当前值；泛化扩展，指对预测误差进行扩展并用预测误差末尾n个比特位来嵌入水印；水印嵌入前，利用双向预测计算预测误差并得到预测误差直方图，根据水印容量和n值计算阈值T、LA和LBM；嵌入过程中，利用泛化扩展嵌入水印，构造边界表并将提取的前LA个采样值末尾的n比特数据作为还原信息嵌入；将LBM、T和边界表转换成2n进制数据并用转换后的数据替换掉当前块的前LA个采样值末尾的n比特数据，得到含水印音频；在水印提取和音频恢复过程中，利用双向预测和泛化扩展，通过水印嵌入方法的逆运算对水印进行提取并无损恢复原始音频。
文档编号G10L19/00GK102169691SQ20111008542
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者杨小澎, 熊璋, 罗立新, 范围, 陈真勇 申请人:北京航空航天大学