基于稳健局部特征的强鲁棒数字水印检测方法与流程

文档序号:14481079阅读:265来源:国知局

本发明属于数字音频的版权保护技术领域,涉及一种数字水印检测方法,尤其涉及一种基于稳健局部特征的强鲁棒数字水印检测方法。



背景技术:

随着多媒体技术的快速发展和互联网技术的普及,人们获取各种数字多媒体资源的方式变得越来越便捷,从而导致非法拷贝、篡改和传播多媒体资源的行为变得日益猖獗,因此,如何能安全有效地存储和传输多媒体信息也成为了人们关注的焦点。数字音频水印技术作为信息安全领域的重要分支应运而生,为解决音频信息知识产权保护提供了一种有效的手段,在数字音频的内容认证和版权保护领域具有非常大的研究和应用价值。

数字音频水印技术是利用数据嵌入策略将水印信息嵌入到音频中,使其隐藏在原始音频数据中不被察觉,既保留了音频的完整性,又实现了对音频产权所有者的合法保护,即使在数字音频遭到攻击或解密后依然可以利用水印技术证明音频作品的所有权归属。对于数字音频水印技术而言,需要具备以下三个基本特点:鲁棒性、不可感知性及水印容量。如何保证音频水印同时具有良好的鲁棒性、不可感知性以及高水印嵌入容量是目前数字音频水印算法的研究重点。国内外专家学者针对这一问题提出了许多优秀的音频水印算法,概括起来可以分为时域音频水印、压缩域音频水印以及频域音频水印三类,其中,频域音频水印算法因其自身良好的性能受到学者的广泛关注。

近些年来,数字音频水印技术有了突飞猛进的发展,很多优秀的研究成果相继出现,在理论研究和实际应用方面都具有极其重要的意义。但遗憾的是,现有绝大多数音频水印检测方法将注意力放在了对抗常规信号处理的研究上,而无法有效抵抗去同步攻击。



技术实现要素:

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题,提出了一种基于稳健局部特征的强鲁棒数字水印检测方法。

本发明的技术解决方案是:一种基于稳健局部特征的强鲁棒数字水印检测方法,有水印嵌入及水印提取,其特征在于:

约定:指宿主音频信号;代表宿主音频低频子带;代表归一化音频低频子带;表示特征点间基本间距;代表低频子带的长度;代表特征点个数;代表提取的特征点;代表窗口大小;表示待嵌入水印特征区域音频段长度;为含水印特征区域音频段长度;为水印位数;为量化步长,为投影向量;

所述水印嵌入按如下步骤进行:

a.初始设置

获取宿主音频信号并初始化设置;

b.特征点提取

b.1宿主音频信号进行三级非下采样小波变换;

b.2根据下式计算udwt变换后得到的低频子带的一阶梯度:

b.3将一阶梯度通过高斯滤波得到一阶平滑梯度:

,其中,

b.4计算一阶平滑梯度的大小,将其作为音频的响应并进行降序排列:

为任意常量;

b.5滤去首尾两端的样本数据,并以最高响应为基准,滤去与之相邻过近的点,提取出前个特征点

c.水印嵌入

c.1原始音频信号进行归一化处理;

c.2归一化后的音频信号进行三级udwt变换得到低频子带

c.3在下,根据下式计算每个特征点左右窗口长度为的短时能量:

其中,

c.4将短时能量再次通过计算得到

c.5计算自适应特征区域为:

其中,表示待嵌入水印音频段长度,为任意常数;

c.6在低频子带内,找到对应的待嵌入水印区域,根据水印位的长度进行分段,对每一子段利用stdm量化方法嵌入一位水印:

c.7重复水印嵌入步骤c.3~c.6对其它特征点对应的自适应特征区域音频段进行水印嵌入,并将所有含水印的音频段进行重构,将修改后低频子带系数与高频子带系数合并,进行逆udwt变换得到含水印音频;

所述水印提取按照如下步骤进行:

d.水印提取

d.1利用步骤b.1~b.5对含水印音频提取出稳定的特征点

d.2利用步骤c.1~c.5计算含水印音频的特征区域为:

其中,为含水印特征区域音频段长度;

d.3将含水印音频进行三级udwt变换,在低频子带内,找到对应的特征区域进行分段处理;

d.4在每一子段中利用最小距离检查方法提取水印,提取过程表示为:

d.5重复步骤d.2~d.4,对每个特征点对应的待提取水印的特征区域音频段进行水印提取,并利用择多原则提取出最优水印。

本发明首先对原始音频进行非下采样小波变换,求出其低频系数的一阶梯度响应,再对响应进行降序排列,以最高的响应值为基准设置一个阈值,提取出稳定且分布均匀的特征点;其次,以特征点为标识,结合短时能量计算方法自适应确定待嵌入水印的特征区域以抵抗去同步攻击;最后,利用扩展变换抖动调制(stdm)量化方法将水印嵌入到特征区域中。实验结果表明,本发明的方法不仅具有良好的不可感知性,而且对常规信号处理及去同步攻击均有较好的鲁棒性。

与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:

第一,利用音频信号自身特性确定最恰当的水印嵌入位置,即仅仅利用音频信号本身特征达到去同步的目的而不再需要添加其他同步信息;

第二,结合短时能量计算方法自适应确定待嵌入水印特征区域大小代替固定特征区域,可进一步解决去同步攻击问题。

附图说明

图1为本发明实施例在danube.wav音频中原始音频、含水印音频和差值音频的波形图。

图2为本发明实施例在danube.wav音频中原始音频、含水印音频提取特征点结果图。

图3为本发明实施例在danube.wav音频中原始音频、含水印音频特征点对应特征区域结果图。

图4为本发明实施例常规攻击的鲁棒性测试结果图。

图5为本发明实施例去同步攻击的鲁棒性测试结果图。

图6为本发明实施例的水印嵌入流程图。

图7为本发明实施例的水印提取流程图。

具体实施方式

本发明的方法包括水印嵌入及水印提取。

约定:指宿主音频信号;代表宿主音频低频子带;代表归一化音频低频子带;表示特征点间基本间距;代表低频子带的长度;代表特征点个数;代表提取的特征点;代表窗口大小;表示待嵌入水印特征区域音频段长度;为含水印特征区域音频段长度;为水印位数;为量化步长,为投影向量。

水印嵌入如图6所示,按照如下步骤进行:

a.初始设置

获取宿主音频信号并初始化设置;

b.特征点提取

b.1宿主音频信号进行三级非下采样小波(udwt)变换;

b.2根据下式计算udwt变换后得到的低频子带的一阶梯度:

b.3将一阶梯度通过高斯滤波得到一阶平滑梯度:

,其中,

b.4计算一阶平滑梯度的大小,将其作为音频的响应并进行降序排列:

为任意常量;

b.5滤去首尾两端的样本数据,并以最高响应为基准,滤去与之相邻过近的点,提取出前个特征点

c.水印嵌入

c.1原始音频信号进行归一化处理;

c.2归一化后的音频信号进行三级udwt变换得到低频子带

c.3在下,根据下式计算每个特征点左右窗口长度为的短时能量:

其中,

c.4将短时能量再次通过计算得到

c.5计算自适应特征区域为:

其中,表示待嵌入水印音频段长度,为任意常数;

c.6在低频子带内,找到对应的待嵌入水印区域,根据水印位的长度进行分段,对每一子段利用stdm量化方法嵌入一位水印:

c.7重复水印嵌入步骤c.3~c.6对其它特征点对应的自适应特征区域音频段进行水印嵌入,并将所有含水印的音频段进行重构,将修改后低频子带系数与高频子带系数合并,进行逆udwt变换得到含水印音频;

水印提取如图7所示,按照如下步骤进行:

d.水印提取

d.1利用步骤b.1~b.5对含水印音频提取出稳定的特征点

d.2利用步骤c.1~c.5计算含水印音频的特征区域为:

其中,为含水印特征区域音频段长度;

d.3将含水印音频进行三级udwt变换,在低频子带内,找到对应的特征区域进行分段处理;

d.4在每一子段中利用最小距离检查方法提取水印,提取过程表示为:

d.5重复步骤d.2~d.4,对每个特征点对应的待提取水印的特征区域音频段进行水印提取,并利用择多原则提取出最优水印。

实验测试和参数设置:

实验在matlabr2011a平台上执行,音频载体为采样频率为41khz,分辨率为16比特,长度为15秒的单声道数字音频信号。

图1为本发明实施例在danube.wav音频中原始音频、含水印音频和差值音频的波形图。

图2为本发明实施例在danube.wav音频中原始音频、含水印音频提取特征点结果图。

图3为本发明实施例在danube.wav音频中原始音频、含水印音频特征点对应特征区域结果图。

图4为本发明实施例常规攻击的鲁棒性测试结果图。

图5为本发明实施例去同步攻击的鲁棒性测试结果图。

实验结果表明,本发明的方法不仅具有良好的不可感知性,而且对常规信号处理及去同步攻击均有较好的鲁棒性。

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