專利名稱：基于過(guò)零率的時(shí)間尺度不變的魯棒音頻水印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于過(guò)零率的時(shí)間尺度不變的魯棒音頻水印方法，尤其是適 用于數(shù)字音頻版權(quán)保護(hù)，并能有效抵抗重采樣形式時(shí)間尺度修改的魯棒音頻水印 方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，人們提出了相當(dāng)多 的音頻水印方法用于音頻數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)。然而，同步攻擊問(wèn)題至今仍是音頻水 印領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。同步攻擊主要包括剪切(Cropping)和時(shí)間尺度修 改(Time-Scale Modification, TSM)兩種方式。相對(duì)剪切而言，時(shí)間尺度修改可 以在不改變音頻質(zhì)量和感知性的前提下，拉伸或縮短音頻信號(hào)的長(zhǎng)度，對(duì)嵌入在 音頻信號(hào)中的水印信息破壞性更大。時(shí)間尺度修改主要包括保持音調(diào)不變的時(shí)間 尺度修改和重采樣形式的時(shí)間尺度修改兩種形式。文獻(xiàn)"Audio watermarking by time-scale modification" (M.Mansour, A.Tewfik, IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol.3， pp.1353-1356, 2001)禾口文獻(xiàn)"Data embedding in audio using time-scale modification" ( M.Mansour, A.Tewfik, IEEE Transactions on Speech Audio Process, vol.13, no.3， pp.432-440, 2005)通過(guò)修改平 滑波形連續(xù)的兩個(gè)局部峰值點(diǎn)之間的相對(duì)長(zhǎng)度，提出了一種能夠抵抗時(shí)間尺度修 改的魯棒音頻水印方法，該方法的復(fù)雜度較高，性能主要取決于閾值的選擇。在 文獻(xiàn)"An audio watermarking method robust against time and frequency fluctuation"
(R.Tachibana， S.Shimizu， Proceedings of SPIE Security and Watermarking of Multimedia Contents III， vol.4314, pp.104-115,2001)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)"Improving audio watermarking robustness using stretched patterns against geometric distortion"
(R.Tachibana, Proceedings of IEEE International Conference on Multimedia, pp.647-654, 2002.)通過(guò)使用多重偽隨機(jī)數(shù)組將抵抗時(shí)間尺度修改的性能提高到 ±8%，但是其性能仍然依賴于某些參數(shù)的調(diào)整。文獻(xiàn)"Localized audio watermarking technique robust against time-scale modification" ( W.Li, X.Y.Xue,
3P.Z丄u， IEEE Transactions on Multimedia, vol.8， no.l, pp.60-69, 2006)將水印嵌入 在感知重要的局部區(qū)域，該方法抵抗保持音調(diào)不變的時(shí)間尺度修改攻擊為 ±15%，但是該方法只適用于某些特定的音樂(lè)。文獻(xiàn)"Histogram-based audio watermarking against time-scale modification and cropping attacks" ( S丄Xiang, J.W.Huang, IEEE Transactions on Multimedia, vol.9， no.7， pp. 1357-1372, 2007)利用 音頻信號(hào)直方圖和絕對(duì)均值，提出了一種能有效抵抗時(shí)間尺度修改±30%的魯棒 音頻水印方法，然而該方法對(duì)有損壓縮等常規(guī)信號(hào)處理攻擊的魯棒性較弱。因此， 研究一種復(fù)雜度較低，適用于所有類(lèi)型的音頻信號(hào)，且對(duì)常規(guī)音頻信號(hào)處理操作 和時(shí)間尺度修改魯棒性均較強(qiáng)的音頻水印方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于過(guò)零率的魯棒音頻水印方法，該方法算法簡(jiǎn)
單、適用于所有類(lèi)型的音頻信號(hào)，它不僅能夠有效抵抗常規(guī)信號(hào)處理攻擊(如 疊加噪聲、有損壓縮、低通濾波、重新采樣等)，而且對(duì)重采樣形式的時(shí)間尺度 修改也具有很強(qiáng)的魯棒性。
本發(fā)明目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。
基于過(guò)零率的時(shí)間尺度不變的魯棒音頻水印方法，在于水印嵌入過(guò)程包括如 下具體步驟首先將原始音頻信號(hào)j分成許多不重疊的音頻幀；然后計(jì)算各音頻
幀的過(guò)零率，根據(jù)預(yù)置閾值r選擇過(guò)零率較大的M,個(gè)音頻幀用于嵌入水??；將
所述M,個(gè)音頻幀每個(gè)分成多個(gè)不重疊的音頻段，所述不重疊的音頻段的數(shù)量與
待嵌入水印的總比特?cái)?shù)一致，量化不重疊的音頻段樣本的平均值以嵌入水印比 特，修改各音頻段對(duì)應(yīng)的樣本值，獲得含水印的音頻段；最后相互連接各含水印 的音頻段獲得含水印音頻幀，以構(gòu)成最終的含水印音頻。
與現(xiàn)有的音頻水印算法相比，本發(fā)明充分利用了過(guò)零率這一在重采樣形式時(shí) 間尺度修改前后近似穩(wěn)定的特征，對(duì)過(guò)零率較大的音頻幀利用量化方法嵌入水 印。這樣既能保證對(duì)常規(guī)音頻信號(hào)處理攻擊的魯棒性，又能充分的抵抗重采樣形 式的時(shí)間尺度修改。
本發(fā)明方法包括水印嵌入和水印提取兩個(gè)部分，水印嵌入部分主要步驟如
下
1、將原始音頻信號(hào)爿-^WlB"丄l劃分成^幀，表示為4l7'-l,K,W。2、 計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，表示為2/|/ = 1,1^，^。
3、 選擇過(guò)零率最大的M，個(gè)音頻幀用于嵌入水印，記此M,個(gè)音頻幀中最小
的過(guò)零率為zc《，其余yv-M,個(gè)音頻幀中最大的過(guò)零率為zc^，應(yīng)滿足這樣的 條件，即zo ,-zc^2r。這里，r是預(yù)置的閾值。
4、 對(duì)M,個(gè)音頻幀中的一幀7、嵌入水印。先將/M,劃分成iV,個(gè)互不重疊的 音頻段，表示為戶40|/ = 1^,^，這里iV,是待嵌入水印總比特?cái)?shù)；然后量化各
音頻段樣本的平均值/M,(/)逐次嵌入水印比特。
5、 對(duì)其余的A/,-l個(gè)音頻幀進(jìn)行步驟4相同的操作，以嵌入水印。 水印提取的主要步驟如下
1、 將含水印音頻信號(hào),劃分成A^幀，表示為Z,ly-l,K,7V。
2、 計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，表示為Z'」y、l,K,iV。
3、 選擇過(guò)零率最大的M,個(gè)音頻幀用于提取水印。
4、 從M,個(gè)音頻幀中的一幀i^'提取水印。先將/^'劃分成M個(gè)互不重疊的 音頻段，表示為尸4'(0l"LK,M，這里W,是待提取水印總比特?cái)?shù)；然后從各 音頻段樣本的平均值i^'(/)逐次提取水印比特。
5、 對(duì)其余的M,-1個(gè)音頻幀進(jìn)行步驟4相同的操作，以提取水印。
6、 按照多數(shù)規(guī)則，從提取的M,個(gè)水印中獲得最終的魯棒水印。


如下
圖1為本發(fā)明水印嵌入過(guò)程部分框圖。
圖2為本發(fā)明水印提取過(guò)程部分框圖。
圖3本發(fā)明實(shí)施例原始音頻信號(hào)圖
圖4本發(fā)明實(shí)施例嵌入水印后的含水印音頻信號(hào)圖
圖5本發(fā)明實(shí)施例含水印音頻信號(hào)經(jīng)受信號(hào)處理攻擊的水印誤比特?cái)?shù)表1。 圖6本發(fā)明實(shí)施例含水印音頻信號(hào)經(jīng)受信號(hào)處理攻擊的水印誤比特?cái)?shù)表2。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步的詳述。 1、 水印嵌入如圖1流程進(jìn)行水印的嵌入。
(1 )將原始音頻信號(hào)^ = ^ W 11 ^、 I}劃分成iV幀，表示為4.1 _/ = l，K , 〃 ，
原始音頻信號(hào)如圖3所示。
(2) 計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，表示為^ly'-l，K,W。
(3) 選擇過(guò)零率最大的m，個(gè)音頻幀用于嵌入水印，記此m,個(gè)音頻幀中最 小的過(guò)零率為ZC7 ,，其余iV-M,個(gè)音頻幀中最大的過(guò)零率為ZCi^，應(yīng)滿足這樣
的條件，即zc《-zc7 2^r。其中，r是預(yù)置的閾值，這里r-o.05， m,=3。
(4) 對(duì)M,個(gè)音頻幀中的一幀/M,嵌入水印。先將iM,劃分成iV,個(gè)互不重疊 的音頻段，表示為尸4(0C/)U、l,K,iV,，y-l,K，iV2，這里iV,是待嵌入水印總比
特?cái)?shù)，此實(shí)施例取A^ =60， 7V2 =LLZ/7V」/A^J ， LJ表示取下整；采用文獻(xiàn)"Digital
watermarking for telltale tamper proofing and authentication " ( D.Kundur, D.Hatzinakos, Proc.IEEE, vol.87， no.7, pp.1167-1180, 1999)的量化方法量化各音頻
段樣本的平均值i^(/)逐次嵌入水印比特，嵌入水印比特細(xì)節(jié)如下
(fe附p + 0.5)xS, z/w(0 = 0a"d mod(&w/ ，2) = 0 (fewjp —0.5)xS, (/" = 0 am/ m。d(/ewp,2) = 1 朋d /M) (!') < (femp + 0.5)x S
朋d (/) 2 (她/> + 0.5) x 51 (&附;？ + 0.5)XiS1，w(O = 1 awe mod(/ew; ,2) = 1 (f謡p — 0.5)x 51, i/" w(/) — 1 awd mod("/n/ ,2) = 0
am/ /M) (!') < (few; + 0.5) x S (&w/ +1.5)x51, = 1 awe/ mod(femp,2) = 0
awd尸4 (/) 2+ 0.5) x 51
這里，&m;7= /M，(/)/S ， S是量化步長(zhǎng)，mod(x，力表示取;c除以y的余數(shù)，
w(z')是待嵌入的水印比特。/M,'(/)表示修改后的音頻段樣本平均值。按如下的方式修改各樣本
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)對(duì)其余的M,-1個(gè)音頻幀進(jìn)行步驟4相同的操作，以嵌入水印。圖4
所示是嵌入水印后的含水印音頻信號(hào)。
2、 水印提取如圖2流程進(jìn)行水印的提取。在對(duì)水印進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)的方
法為所述水印嵌入過(guò)程類(lèi)似相逆，即，首先將待檢測(cè)音頻信號(hào)Z分成許多不重
疊的音頻幀；然后計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，選擇過(guò)零率較大的M,個(gè)音頻幀用于
提取水?。粚⒏鞅贿x擇的音頻幀分成許多不重疊的音頻段，音頻段的數(shù)量與待提 取水印的總比特?cái)?shù)一致，從各音頻段樣本的平均值提取水印比特；按照多數(shù)規(guī)則，
從提取的M,個(gè)水印中獲得最終的魯棒水印『'。具體步驟為
(1) 將含水印音頻信號(hào)Z劃分成iV幀，表示為^4 |_/ = 1,！^，^。
(2) 計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，表示為Z:l7'",K,iV。
(3) 選擇過(guò)零率最大的M,個(gè)音頻幀用于提取水印。
(4) 從A/,個(gè)音頻幀中的一幀/M,提取水印。先將尸^'劃分成個(gè)互不重疊 的音頻段，表示為iM,'(z')l/"，K，7V,，這里A^是待提取水印總比特?cái)?shù)；然后從
各音頻段樣本的平均值戶4'(/)逐次提取水印比特，其細(xì)節(jié)如下:
0(/" modj
1 modj
2J = 0 ,2) = 1
(5) 對(duì)其余的M,-1個(gè)音頻幀進(jìn)行步驟4相同的操作，以提取水印 W|/ = 2,K ,M,。
(6) 按照多數(shù)規(guī)則，從提取的M,個(gè)水印中獲得最終的魯棒水印『'。
本發(fā)明方法的效果可以通過(guò)以下的性能分析驗(yàn)證 1、 不可感知性如圖3所示是一采樣率為44.1kHz，樣本長(zhǎng)度為600000， WAVE格式的音頻 信號(hào)；圖4所示是嵌入水印后的含水印音頻信號(hào)，其信噪比SNR為34.6835dB。 2、 魯棒性
如圖4所示的含水印音頻信號(hào)經(jīng)受各種信號(hào)處理攻擊后，提取的水印誤比特 數(shù)如圖5和圖6所示。結(jié)果表明本發(fā)明提出的新方法不僅能夠有效抵抗常規(guī)信號(hào) 處理攻擊，而且對(duì)重采樣形式的時(shí)間尺度修改也具有很強(qiáng)的魯棒性。
權(quán)利要求
1、一種基于過(guò)零率的時(shí)間尺度不變的魯棒音頻水印方法，其特征在于水印嵌入過(guò)程包括如下具體步驟首先將原始音頻信號(hào)A分成許多不重疊的音頻幀；然后計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，根據(jù)預(yù)置閾值T選擇過(guò)零率較大的M1個(gè)音頻幀用于嵌入水印；將所述M1個(gè)音頻幀每個(gè)分成多個(gè)不重疊的音頻段，所述不重疊的音頻段的數(shù)量與待嵌入水印的總比特?cái)?shù)一致，量化不重疊的音頻段樣本的平均值以嵌入水印比特，修改各音頻段對(duì)應(yīng)的樣本值，獲得含水印的音頻段；最后相互連接各含水印的音頻段獲得含水印音頻幀，以構(gòu)成最終的含水印音頻。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于過(guò)零率的時(shí)間尺度不變的魯棒音頻水印方法，其特征在于，所述預(yù)置閾值r滿足如下條件M,個(gè)音頻幀中最小的過(guò)零率為zct ,，其余tv-m,個(gè)音頻幀中最大的過(guò)零率為zc7^, zc^-zc^^:r。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于過(guò)零率的時(shí)間尺度不變的魯棒音頻水印方法，其特征在于，在對(duì)水印進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)的方法為所述水印嵌入過(guò)程類(lèi)似相逆，即首先將待檢測(cè)音頻信號(hào)Z分成許多不重疊的音頻幀；然后計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，選擇過(guò)零率較大的m,個(gè)音頻幀用于提取水?。粚⒏鞅贿x擇的音頻幀分成許多不重疊的音頻段，音頻段的數(shù)量與待提取水印的總比特?cái)?shù)一致，從各音頻段樣本的 平均值提取水印比特；按照多數(shù)規(guī)則，從提取的m,個(gè)水印中獲得最終的魯棒水印『* 。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于過(guò)零率的時(shí)間尺度不變的魯棒音頻水印方法首先將原始音頻信號(hào)A分成許多不重疊的音頻幀；然后計(jì)算各音頻幀的過(guò)零率，根據(jù)預(yù)置閾值T選擇過(guò)零率較大的M₁個(gè)音頻幀用于嵌入水?。粚⑺鯩₁個(gè)音頻幀每個(gè)分成多個(gè)不重疊的音頻段，所述不重疊的音頻段的數(shù)量與待嵌入水印的總比特?cái)?shù)一致，量化不重疊的音頻段樣本的平均值以嵌入水印比特，修改各音頻段對(duì)應(yīng)的樣本值，獲得含水印的音頻段；最后相互連接各含水印的音頻段獲得含水印音頻幀以構(gòu)成最終的含水印音頻。本發(fā)明方法算法簡(jiǎn)單、適用于所有類(lèi)型的音頻信號(hào)，不僅能夠有效抵抗常規(guī)信號(hào)處理攻擊，而且對(duì)重采樣形式的時(shí)間尺度修改也具有很強(qiáng)的魯棒性。
文檔編號(hào)G10L19/00GK101521011SQ20091005879
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者王宏霞, 范明泉 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)