一种基于多回声核的音频水印方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多回声核的音频水印方法，属于音频信号处理领域。首先对二进制的原始水印信号进行处理，通过衰减系数和回声延迟点位置决定回声核，将多路回声嵌入到原始的音频信号中。提取水印时采用能量倒频谱分析的方法对信号进行解码，提取出相应水印信息。嵌入过程采取了回声缓存手段，使得同步性能好，解决了音频信号遭到随机剪切时所带来的水印破坏问题，解决了多重回声中回声相互干扰的问题，提高了数据的容量，添加了奇偶校验信息，增强了系统的抗恶意攻击的能力，具有很高的鲁棒性。
【专利说明】-种基于多回声核的音频水印方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多媒体信息隐藏方法，尤其涉及一种基于多回声核的音频水印方 法，可用作音频信息标签标，或用于信息隐藏，属于音频信号处理领域和信息安全领域。
【背景技术】
[0002] 音频多媒体的版权保护和内容检索一直以来都是受关注的问题，数字水印技术为 这个问题提供了解决的途径，将标签作为水印嵌入音频多媒体，标签可标记音频的来源、版 权、内容摘要或其他属性，同时，水印标签的嵌入应追求在不降低音频质量的前提下提高鲁 棒性和水印容量，并可快速、便捷、稳健地实现水印的嵌入和提取检测。
[0003] 举例来说，当采用FM音频广播作为载体，承载与广播内容有关的附属信息（如版 权、来源、检索标签等），这些信息是作为水印嵌入在音频中的，并且水印的嵌入不能破坏广 播本身的音频质量，传输时是与音频信息一同传输的。音频水印技术就是在不影响音频本 身质量的前提下，将隐藏信息嵌入到宿主信号中，并且能通过相应的解码算法提取出水印 的一种技术。起初，它的功能只要限制在版权保护、保密通信、篡改检测等方面，现在，随着 技术的发展，数字音频水印主要算法可以分为以下四类：相位编码、扩频调制、拼接方法、回 声隐藏。回声隐藏技术基于人耳的掩蔽效应，人为的给音频添加回声信号，在人们感知不到 回声的前提下将信息嵌入到语音信号中，在保证语音质量方面，具有天然的优势。此外，它 还有低复杂度、没有噪声叠加、忙检测、同步性能好性能好等优点，所以应用范围比较广泛。 目前，存在一些相关发明，它们论述了通过基于回声隐藏的音频水印应用于类似于FM广播 的媒体节目中。
[0004] 例如，Bender 的标题为"Method and Apparatus for Echo Data Hiding in Audio Signals"的美国专利No. 5, 893, 067将一个或多个回声嵌入到宿主音频信号中。Yoiti Suzuki 的标题为"Digital Watermark System"的美国专利 US 2003/0172277 A1 公开了一 种通过在时间轴上扩展回声信号来将生成的回声信号插入到原始音频信号中的数字水印 嵌入方法。陈宁的标题为"基于回声隐藏的多重水印嵌入和提取算法"提出了将多重水印 信号嵌入到同一宿主信号中。
[0005] 但是Bender的回声隐藏方法容量很低并且解码过程不安全。Yoiti的方法结合了 回声隐藏和扩展频谱，以提高容量和安全性。但是，考虑到媒体交互场景中的下采样攻击， 所允许的嵌入回声阵列的长度是有限的，从而它不能提供长度足以保证良好的统计属性的 PN序列。另一方面，这种方法对于回声抖动攻击来说是脆弱的。陈宁改进了回声隐藏的嵌 入算法，但是没有对所选参数进行合理的理论验证，一旦水印的数量多大，系统性能会变得 很差，它也没有考虑到FM调制解调对系统的影响。尤其是FM广播中经常出现的随意剪辑 等行为，要求系统有很好的抗失同步攻击能力。
[0006] 因此，现有技术未能提供一种通过基于音频水印获得媒体节目相关信息的有效方 法。
[0007] 对于应用于FM广播的音频水印系统，要满足以下条件：
[0008] (1)能将FM广播的相关内容作为水印嵌入到原始广播中，并且不会影响广播本身 的语音质量。
[0009] (2)通过简单的方法、步骤就能获得广播内隐藏的相关信息，对同步没有要求。
[0010] (3)能抵抗压缩、重采样、重量化、滤波器、环境噪声、同步攻击等恶意的攻击。
[0011] (4)经过FM调制、解调之后不破坏水印信息，能正常的解码出来我们需要的信息。
[0012] (5)由于FM广播内容丰富，要求该系统容量高。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是克服以上系统的不足以及满足系统要求的以上条件，提供一种基 于多回声核的音频水印方法，可以快速、便捷、稳健获得音频内容中嵌入的水印标签，并且 不影响广播本身质量，能抵抗多种恶意的攻击。
[0014] 本发明所述一种基于多回声核的音频水印方法，包括如下步骤：
[0015] 水印的嵌入过程：
[0016] 步骤一：将待嵌入的信息编码为二进制水印序列，其中an是0或 1，0彡η彡（J*u)-1 ;所述的二进制水印序列长度为M = U*J比特，其中J、U均为大于等于 1的正整数J为预设的回声的路数，U为每路回声嵌入的二进制序列比特数；
[0017] 例如，若待嵌入的是每个音频的ID号，那么首先给每一个音频多媒体资料分配唯 一的ID号（一一对应关系），将此ID号转换为二进制水印序列（例如通过映射表或直接转 换为二进制）；
[0018] 步骤二：将步骤一获得的二进制水印序列嵌入到对应的音频信号中，具体方法如 下：
[0019] 1、首先将原始音频信号X(n)进行分段，分段时间为秒，其中Fs为采样 率，分段之后的第i段音频信号写作Xi (η);
【权利要求】
1. 一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在于，包括如下步骤： 水印的嵌入过程： 步骤一：将待嵌入的信息编码为二进制水印序列{aijaiaf ，其中an是0或1， 0彡η < (J*U)-1 ;所述的二进制水印序列长度为M = U*J比特，其中J、U均为大于等于1 的正整数J为预设的回声的路数，U为每路回声嵌入的二进制序列比特数； 步骤二：将步骤一获得的二进制水印序列嵌入到对应的音频信号中，具体方法如下： (1)首先将原始音频信号X (η)进行分段，分段时间为
秒，其中Fs为采样率， 分段之后的第i段音频信号写作Xi (η); ⑵将步骤一获得的Μ比特二进制水印信息转化成大小为UXJ的矩 阵：
然后将每列从上往下写作一个新的二进制数，并将其转化为十进制数，得到J个十进 制值1? b2…bT}并进行保存； (3)根据这J个十进制值确定J路回声信号的延迟：屯、d2、…、屯； 屯=A+FXh d2 = d1+FXb2+K dj = dj^+FXbj+K 其中参数A代表起始延迟点值；K是段间的保护带长度，也就是不同延迟之间最小的间 隔，F是段内分辨率，也就是同一路延迟不同值之间的间隔； 然后，对每一段音频Xi (η)，将\ (η)延迟屯个延迟点，然后乘以衰减系数α，即得 到第1路回声信号aXjn-cg ;同理，依次获得Xjn)的其余回声信号aXiOi-cQ、…、 aXiOi')，即得到J路回声信号； ⑷根据步骤一中Μ比特二进制水印序列中"1"的个数确定1比特的奇偶校验信息；将 二进制水印序列按照如下方法嵌入到每一段音频Xi (η)中，直至整个音频全部嵌入完毕： 如果奇偶校验信息为'〇'，代表Μ比特二进制水印序列中" 1"的个数为奇数，则第i段 的含水印信号： Yi (n) = Xi (n) + a Xi (n-d!) + a Xi (n_d2) +..· + a Xi (n_dj) · 如果奇偶校验信息为'〇'，代表M比特二进制水印序列中" 1"的个数为偶数，则第i段 的含水印信号： Yj (n) = Xj (η)- α Xj (η-dj)- α Xj (η-d2)-···- α Xj (η-dj) (5)将嵌入水印的每段音频信号t (η)首尾连接起来获得含水印音频信号Υ(η); 水印的提取过程： 步骤一：对待检测的音频信号Γ (η)进行分段，分段长度为秒，记分段后 的第i段音频信号为Y' ifc);
步骤二：计算待检测的每段音频信号的能量倒频谱，第i段音频信号Y' i (η)的能量倒 频谱Py< i (η)为： Py, i (η) = {IFFT (log (IFFT 况，（n)) |2))}2 步骤三：提取出水印信息；方法如下： (1) 对待检测的每个分段音频信号Y' i (η)，检测其能量倒频谱Py; i (η)的各峰值点位 置，并将检测到的峰值点位置记录为d/、d2'、···、(!/ (2) 计算{b/ V…b/ }，即：
(3) 将{b/ b2'…b/ }中的每个元素四舍五入取为整数后分别转换为U位二进 制，并将这些转换后的二进制数首尾相接组成一个新的二进制数，认为该二进制数即为所 提取出的水印。
2. 根据权利要求1中所述的一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在于，所述提 取步骤的步骤三，在提取出水印之后，还包括步骤：(4)将所提取出的水印与嵌入步骤中的 二进制水印序列{a^afa^n}进行对比，以判定该音频信号是否含有水印。
3. 根据权利要求1中所述的一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在于，α = 0· 4。
4. 根据权利要求3中所述的一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在于，Μ = 4。
5. 根据权利要求3中所述的一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在于，U = 4。
6. 根据权利要求1中所述的一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在于，Κ = 6。
7. 根据权利要求1中所述的一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在.于，F = 3。
8. 根据权利要求4中所述的一种基于多回声核的音频水印方法，其特征在于，A= 154。
【文档编号】G10L19/018GK104217725SQ201410507604
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】谢湘, 张学君, 赵军辉 申请人:北京理工大学