基于极谐变换的鲁棒数字音频水印嵌入及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数字音频水印技术领域，尤其是一种既能够对抗常规的信号处理，又 可有效抵抗去同步攻击的基于极谐变换的鲁棒数字音频水印嵌入及检测方法。
【背景技术】
[0002] 数字水印（Digital Watermarking)是一种可以在开放网络环境下保护版权和认 证来源及完整性的新技术。音频水印技术，就是将具有特定意义的标记(水印），利用数据嵌 入的方法隐藏在数字音频产品中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非 法侵权的依据，同时通过对水印的检测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识 产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数字音频水印必然会受到各种形式的攻击，对水 印系统的攻击分为常规攻击和去同步攻击。常规攻击包括添加噪声、重新采样、滤波、MP3压 缩等，它会造成水印信号能量的减少；去同步攻击包括抖动攻击、幅度变化、声调变化、剪 切、时间尺度缩放等，这些攻击操作会造成原始水印和提取出的水印产生同步错误，因此检 测不出来准确的水印。
[0003] 现在的数字音频水印方法大致可以分为时域和变换域两大类。时域是通过修改宿 主音频信号的时域采样值而嵌入水印，该类方法的抗攻击能力比较差，而且水印容量小。变 换域是通过修改宿主音频信号的变换域系数进行水印嵌入，常用的变换有离散傅里叶变换 (DFT)、离散余弦变换(DCT)、离散小波变换(DWT )和提升小波变换(LWT )等，该类方法不仅抗 攻击能力强，水印容量大，而且与数据压缩标准兼容。
[0004] 非下采样小波变换具有良好的频域局部化特征，多尺度、冗余性和平移不变等特 性，以及良好的频域局部化特征，可较好地刻画信号的非平稳性特征，很好地保持信号的 形状，并且分解后各子带音频与原始音频具有相同长度。此外，极谐变换核函数形式简单， 具有旋转不变性以及数值稳定性，可以对信息进行高质量恢复，同时各阶矩之间是彼此独 立的，具有信息冗余小的特点，被广泛地应用于数字水印技术的研究中。
[0005] 但是，现有绝大多数音频水印算法仅仅能够对抗常规的信号处理，而无法有效抵 抗去同步攻击。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种既能够对抗常规的 信号处理，又可有效抵抗去同步攻击的基于极谐变换的鲁棒数字音频水印嵌入及检测方 法。
[0007] 本发明的技术解决方案是：1. 一种基于极谐变换的鲁棒数字音频水印嵌入方法， 其特征在于按照如下步骤进行： 步骤11:水印预处理:将二值水印图像IT置乱加密为安全水印矩阵两，其中
再对其进行降维处理，即将二维水印图像转换为一维二进制水印序列：
步骤12:根据数字水印与同步码大小，对原始音频载体进行分段，然后利用时间域音频 样本统计特性嵌入同步码，具体如下： 步骤121:将^按同步码长度分成IIP:段，每一段(m)含有《个音频样 本，即
步骤123:采用量化方法嵌入同步码，即对每一段P# _)，修改其均值以嵌 入一位同步码，修改策略为：
其中，：誠變为修改前音频样本值，:麵:::藝纏|_議麵_ 为修改后的音频样本值， 且有：
其中，mod为取模运算，S1为量化步长； 步骤13:水印信号的嵌入，具体如下： 步骤131:将音频后半部分映射成二维矩阵的形式，并进行非下采样小波变换得到低 频子带； 步骤132:根据要嵌入水印位数的多少，在选取稳定矩的规则之下，选取相应数量的稳 定的PHT矩进行水印嵌入，公式如下：
其中，先._3钱籍:#>为待嵌入水印的幅值，水印图像= 为模运算函数，q为 量化步长； 步骤133:对选取的PHT矩嵌入水印信息前后分别进行重构，得到两个重构的二维形式 的音频，对这两个重构的二维形式音频做差值运算，将得到的差值叠加到原载体二维形式 的音频中，得到修改后的低频系数，再根据非下采样逆小波变换，即得到了含水印的二维形 式音频，最后还原为一维形式的音频，再重构回原来的音频数据段当中得到含水印的数字 音频； 步骤14:重复步骤12~步骤13对其它音频数据段进行同步码与水印信息的嵌入。
[0008] -种上述基于极谐变换的鲁棒数字音频水印嵌入方法对应的检测方法，其特征在 于按照如下步骤进行： 步骤21:采用通讯领域中的帧同步码逐位比较方式查找同步码，根据检测到的同步码， 以两个相邻同步码之间的音频数据段作为待提取水印的侯选音频数据段； 步骤22:水印信号的提取，具体如下： 步骤221:将获得的含水印音频数据段映射成二维形式并进行非下采样小波变换得到 低频子带，将其进行PHT矩的计算，在选取稳定矩的规则之下，选取与水印嵌入时相对应位 置的矩，利用量化方法对其进行水印信息的提取； 步骤222:量化方法提取公式如下：
其中，为四舍五入函数，为提取出的水印； 步骤23:重复步骤21~步骤22,对每个相邻同步码间的音频水印数据段进行水印提取， 并利用"择多原则"求出最优水印图像:
步骤24:对Il进行升维处理，得到水印图像矩阵，再对if进行逆置乱解密，得到 所提取的二值图像水印?Τ
[0009] 本发明利用非下采样小波变换良好的频域局部化特征，多尺度、冗余性和平移不 变性，可较好地刻画信号的非平稳性、很好地保持信号形状的特征，并且分解后各子带音频 与原始音频具有相同长度的优点；加上极谐变换良好的数值稳定性，将水印嵌入在稳定的 矩值上去抵抗常规信号攻击;再结合同步码技术，设计出了一种基于极谐变换的鲁棒数字 音频水印嵌入及检测方法，实验结果表明：本发明既能够对抗常规的信号处理，又可有效抵 抗去同步攻击，具有良好的不可感知性和鲁棒性。此外，还具有设计简单、易于实现等优点。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明实施例原始音频的波形图。
[0011] 图2是本发明实施例嵌入水印后音频的波形图。
【具体实施方式】
[0012] -种基于极谐变换的鲁棒数字音频水印嵌入方法，其特征在于按照如下步骤进 行： 步骤11:水印预处理:将二值水印图像·置乱加密为安全水印矩阵馬，其中
为了便于将二维水印图像嵌入到一维音频信号中，再对其进行降维处理，即将二维水 印图像转换为一维二进制水印序列：
步骤12:根据数字水印与同步码大小，对原始音频载体进行分段，然后利用时间域音频 样本统计特性嵌入同步码，具体如下： 步骤121:将Il按同步码长度Isyii分成Isyii段，每一段Illlil含有#个音频样 本，即
步骤123:采用量化方法嵌入同步码，即对每一段(m)，修改其均值見if，以嵌 入