技术领域本发明属于数字音频水印技术领域，具体涉及一种基于变换域和独立分量分析技术结合的数字音频水印技术的表示方法。
背景技术：
由于独立分量分析(ICA)是一种非常有效的盲信号处理技术，其基本原理是通过分析多维观测数据间的高阶统计相关性，找出相互独立的隐含信息成分，完成分量间高阶冗余的去除及独立信源的提取，而数字水印技术就是要在水印的载体中嵌入或提取出独立的信源信号。因此，业界将独立分量分析(ICA)应用数字音频水印的盲提取和半盲提取。目前，将ICA应用于图像水印研究的比较多，而应用于数字音频水印的研究相对较少。大多数基于ICA的水印虽然有较好的不可感知性，但鲁棒性仍不够强健。而相对的，基于变化域由于其强健的鲁棒性在该技术领域得到了广泛的应用。
技术实现要素：
在实验研究中发现，基于变化域的音频水印技术拥有良好的鲁棒性，而ICA可以在保证水印不可感知性的前提下，实现了水印的盲提取。为了同时提高水印的不可感知性和鲁棒性，本发明结合小波变换(DWT)和奇异值分解(SVD)的变换特点，根据奇异值矩阵中的特征自适性调整水印嵌入强度，提出了一种基于DWT-SVD-ICA的数字音频水印算法。本发明采取以下技术方案：一种基于DWT-SVD-ICA的数字音频水印算法，将原始音频信号的分段预处理获取适合嵌入水印的帧，对嵌入帧进行小波变换、奇异值分解，在奇异值中自适应的嵌入水印信号。利用Fast-ICA提取水印以实现水印的盲检测。按如下步骤进行：第一步：为了较好地保证水印的不可感知性和鲁棒性，对原始音频进行预处理，选择合适片段用水印嵌入。具体算法：设第k帧音频信号的短时能量由Ek表示，其定义如下：其中xk(i)为第k帧音频信号第i点的大小，N为信号帧长。音频帧的能量体现了某个时间段内音频信号的强度，Ek越大则表示掩蔽性能越好。设第k帧音频信号的过零率用Zk表示，其定义为：其中，sgn[x]为符号函数，根据变量x的大小按取值。音频帧的过零率指一帧内相邻的采样点改变符号的次数，体现了一帧中音频信号幅值变化的程度，过零率Zk越小表示该帧的幅值变化相对平稳。因此，设定两个阈值Eth和Zth，选取过零率Zk≤Zth且短时能量Ek≥Eth的音频帧作为水印嵌入帧ASk。第二步：嵌入水印时，对原始音频进行三级小波变换(DWT)，并对小波变换的近似分量进行奇异值分解(SVD)，然后利用随机混合方法完成水印嵌入，以提高水印的不可感知性和鲁棒性。具体算法：(1)对每帧ASk进行三级小波变换，得到低频近似分量CA3k和细节分量CD1k，CD2k，CD3k。由于CA3k具有能量集中的特性，所以在本发明中选择CA3k作为水印嵌入对象。为了实现对CA3k进行奇异值分解，先需将CA3k按式(7)转换成二维矩阵ca3k(即升维)：对ca3k进行奇异值分解成两个正交矩阵和对角阵并将其奇异值矩阵按式(4)转化为一维数组Sk：(2)读取长度为的水印信息Mk，将水印Mk和一维数组Sk融合构成二维矩阵MSk：将MSk与自适应混合矩阵Ak线性相乘得到嵌入水印的矩阵Xk，ICA混合公式如下：由于矩阵的大小决定水印嵌入的强弱，影响着水印在音频中的不可感知性，因此，为了确保水印的鲁棒性和不可感知性，在本发明中，ak11,ak21在[0.85,0.99]的区间内随机选择；同时，选择SVD特征值来调节水印的嵌入强度，这样嵌入水印的强度具有自适应性。round(x)代表对x四舍五入。令Rk＝ak21Sk+ak22Mk，并Rk作为密钥保存用于水印提取；令Lk＝ak11Sk+ak12Mk，并Lk按式(7)转换成奇异值矩阵S'，并按式(8)进行奇异值分解获得嵌入水印的ca3'k：将二维矩阵ca3'k按式(9)转换成一维矩阵CA3'k(即降维)：CA3'k与CD1k，CD2k，CD3k进行小波重构，完成对第k帧音频信号的水印嵌入SWk；(3)重复以上步骤(1)(2)直至完成对所有帧的水印嵌入，最后得到嵌入水印的音频SW。第三步：提取水印时，对嵌有水印的音频信号进行小波变换和奇异值分解，然后利用已有的负熵最大化的固定点算法(Fast-ICA)来实现水印盲检测。具体步骤如下：①对嵌有水印的音频SW分帧成SWk，k＝1,2,…。并对SWk进行分段三级小波分解，得到近似分量CA3'k，将其转换成二维矩阵ca3'k，再将ca3'k其进行SVD分解得到奇异值矩阵S'k。对S'k中的奇异值如式(10)转化为Lk；②将密钥Rk和Lk按式(11)融合成Xk；根据Fast-ICA的实现步骤，对矩阵Xk进行解混，得到解混矩阵Wk，计算Yk矩阵；由于Fast-ICA分离出两个独立变量不能确定哪一个分量含有水印信号，需将Yk1和Yk2分别与Lk进行相似度比较，选择相似度(NC)小于0.8的分量作为含有水印的独立分量。假设Yk1分量是所选含有水印的独立分量，则令WMk＝Yk1；③根据②步骤，假设Yk1分量是所选含有水印的独立分量，则令WMk＝Yk1；按式(13)进行提取水印WAk：其中，E{.