一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法
【专利摘要】本发明的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，包括：a)生成一组伪随机序列；b)用函数对序列进行预处理；c)载体信号变换；d)预处理并求取内积；e)根据载体与水印的相关性计算水印功率衰减因子；f)水印信息嵌入；g)获取含水印的多媒体信号。水印提取过程包括：h)含水印信号的变换；i)预处理含水印信号；j)生成参考序列；k)获取判决变量；l)提取水印信息。本发明的多比特扩频水印方法，充分利用载体来增强水印的稳健性，缓和了水印速率、透明度与稳健性之间的矛盾，从而获得比现有方案更优异的性能。另一方面，本发明所述方法对载体类型、载体向量的获得方式以及嵌入端与提取端的预处理方法没有任何限制，具有很好的通用性。
【专利说明】一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，更具体的说，尤其涉及一种对水印速率、透明度与稳健性进行优化的、利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法。
【背景技术】
[0002]数字水印通常指在音频、图像、视频等多媒体载体中嵌入难以被察觉的版权标识、控制信息或秘密消息等，并在接收端提取出这些信息。近年来，数字水印技术被广泛应用于版权保护、真伪鉴定、设备控制、广播监测和隐蔽通信等领域。数字水印系统的性能指标主要包括:透明度，反映嵌入水印对载体品质的影响；嵌入速率，即水印的信息速率；以及稳健性，即经过多媒体信号处理或恶意攻击后水印的恢复能力。通常希望水印透明度好(对载体影响小)、速率高且稳健性强(能够抵抗大多数信号处理和攻击)，但三者难以兼得。
[0003]扩频(Spread Spectrum, SS)调制是保密通信和第三代移动通信的关键技术，它能够以极低的信号功率实现可靠的通信，由此也成为数字水印的一类基本方案。扩频水印利用伪随机序列将每个水印信息比特的能量分散后再叠加到载体上，接收端通过相关运算削弱与该伪随机序列不相关的干扰并解调出水印信息。扩频水印具有透明度好、稳健性强、易于实现自同步等优点，从而广泛应用于稳健水印系统中。然而，传统的扩频水印存在两大缺陷:
1)由于水印的频谱需要被充分扩展以对抗干扰，而扩展后的水印频谱不能超过载体带宽，因此水印的嵌入速率受到极大的限制，通常只有载体速率的千分之一甚至万分之一；
2)由于水印叠加到载体上，因此载体对水印的解调形成强干扰，限制了水印的稳健性，即使在无攻击的条件下接收端也难以实现零误码的水印提取。
[0004]为了改善扩频水印的嵌入速率，常采用多比特扩频调制，如码分多址(CodeDivision Multiple Access, CDMA)。该方案将水印比特等分成若干组,对每组中的各个水印比特分别采用扩频调制，再将调制后的水印序列叠加并嵌入到载体信号中。然而，该方案等效于若干个独立的一比特扩频水印的叠加，其依然面临载体对水印的干扰问题，随着水印嵌入速率的提高其稳健性急剧恶化。
[0005]为了削弱扩频水印中载体对水印的干扰，Malvar等提出了改进扩频(ImprovedSpread Spectrum, ISS)调制技术,在嵌入端利用水印序列与载体信号的相关性来补偿载体对水印的干扰，从而实现了无攻击时零误码的水印提取。进一步地，Mayer等将改进扩频调制扩展到基于CDMA的水印系统中，改善了多比特扩频水印的稳健性。然而，最新的研究成果表明，扩频水印中部分载体分量对水印的恢复具有积极作用，巧妙地利用这部分有益的载体分量将缓和水印的嵌入速率、透明度及稳健性之间的矛盾，进而提高扩频水印系统的性能。现有的多比特扩频水印方案或无视载体的干扰，或将其完全抵消，均无法发挥载体对水印的积极作用。
【发明内容】
[0006]本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种对水印速率、透明度与稳健性进行优化的、利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法。
[0007]本发明的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特别之处在于，包括水印嵌入和水印提取步骤，设需要在F个载体数据中嵌入个水印比特；所述水印嵌入通过以下步骤来实现:
a).生成伪随机序列，伪随机序列发生器根据给定的密钥产生个长度为的伪随机序列，用列向量\ { J = X--X )表示，序列中各元素取值为±1 ;伪随机序列可以选用m序列、Gold序列、混沌序列等；
b).对伪随机序列进行预处理，采用函数表达式为尽Θ的嵌入端预处理方法，对步骤a)中生成的伪随机序列进行预处理，以使其符合水印透明度的要求；处理后的伪随机序列记作4, = Ht(Jij),其中j = U ;该预处理过程可以是任意确定性的信号处理，如幅度压
缩、滤波、基于感知模型的水印整形等，也可以是空操作(即尽(D = Uj');
c).载体信号变换，利用可逆的数学变换将载体信号转换为可进行水印嵌入的嵌入域信号，并逐段分割为等长的、元素个数为/的载体向量m ;该变换方式可以是离散傅里叶变换、离散余弦变换或离散小波变换，或者为计算特征值、奇异值或范数的载体特征提取或分解方法；
d).预处理并求取内积，采用函数表达式为//,0的提取端预处理方法，对载体序列x和步骤b)中处理后的伪随机序列U进行处理，处理后的结果分别为;预处理方法可以是放大、滤波、降噪等信号处理方法，也可以是空操作(即不处理)；
对于元素个数均为JV的列向量21和*2来说,定义向量内积为，其中
?表示向量转置；按照下面的公式分别计算AO
【权利要求】
1.一种利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，包括水印嵌入和水印提取步骤，设需要在个载体数据中嵌入个水印比特；所述水印嵌入通过以下步骤来实现: a).生成伪随机序列，伪随机序列发生器根据给定的密钥产生个长度为？的伪随机序列，用列向量\ (J = X--,K )表示，序列中各元素取值为±1 ; b).对伪随机序列进行预处理，采用函数表达式为的嵌入端预处理方法，对步骤a)中生成的伪随机序列进行预处理，以使其符合水印透明度的要求；处理后的伪随机序列记作 = Hi(Uj),其中 J = I,[； c).载体信号变换，利用可逆的数学变换将载体信号转换为可进行水印嵌入的嵌入域信号，并逐段分割为等长的、元素个数为况的载体向量X ; d).预处理并求取内积，采用函数表达式为AVG的提取端预处理方法，对载体序列x和步骤b)中处理后的伪随机序列进行处理，处理后的结果分别为; 对于元素个数均为JV的列向量4和1；2来说,定义向量内积为，其中 表示向量转置；按照下面的公式分别计算A(X)、尽(气/)与f个伪随机序列Ui的内积:
2.根据权利要求1所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，所述水印提取通过以下步骤来实现:h).含水印信号的变换，采用与步骤c)中相同的数学变换，将接收到的含水印的多媒体信号转换为嵌入域信号，并逐段分割为元素个数力的含水印的序列y ;i).预处理含水印信号，采用与步骤d)中相同的提取端预处理方法,对含水印的序列y进行预处理，得到处理结果I/Ι)；j).生成参考序列，伪随机序列发生器根据与步骤a)中相同的密钥产生1个长度为F的参考序列A U=U )，序列Ui与步骤a)中的伪随机序列h (j = l,…,K ) 一致；k).获取判决变量，计算各参考序列与预处理后的含水印信号的内积，得到”个判决变量，记作5 =(4(:30,?},其中i；I).提取水印信息，根据判决变量的符号解调出嵌入的水印信息，恢复出的第〗个水印比特记作4 =sign(?i) ’其中sigri(')为取符号函数，。
3.根据权利要求2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤a)中生成的伪随机序列和步骤j)中生成的参考序列为m序列、Gold序列或混沌序列。
4.根据权利要求1或2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤b)中对伪随机序列进行预处理的方法为幅度压缩、滤波、基于感知模型的水印整形或者空操作；在载体信号为音频信号的情况下，则步骤b)中的预处理方法采用心理声学模型对生成的伪随机序列进行整形，其通过以下步骤来实现:b-D.转换为子带数据，利用分析子带滤波器将音频采样序列χ和伪随机序列~(J = U )进行分段，每段转换为频域的384个子带数据，分别记作句，其中i = 0,--.，383 ；b-2).计算信号掩蔽比，通过MPEG-1心理声学模型计算输入音频信号的32个子带的信号掩蔽比，单位为dB，并以相邻的12个值相同的形式将其插值为384个值，记为M(Ac).b-3).对子带数据进行整形，按照下面的公式对伪随机序列的子带数据进行整形:SJk) = S1gn(S^,10—禅.輝)；其中函数mm(Y)返回两个参数中的最小值；b-4).转换至时域，利用合成子带滤波器将整形后的伪随机序列的子带数据Suo(k)转换回时域，得到。
5.根据权利要求1或2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤c)所述的可逆的数学变换为离散傅里叶变换、离散余弦变换或离散小波变换，或者为计算特征值、奇异值或范数的载体特征提取或分解方法。
6.根据权利要求2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤d)与步骤i)所述的提取端预处理方法为放大、滤波、降噪或者空操作。
7.根据权利要求1或2所述的利用载体增强稳健性的多比特扩频水印方法，其特征在于，步骤e)中所述的卢的取值范围为:0.5≤β≤0.8。
【文档编号】G06T1/00GK103455972SQ201310408462
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】张鹏, 李晔, 马晓凤, 樊燕红, 姜竞赛, 郝秋赟 申请人:山东省计算中心